Электричество человеку известно давно, но проблема доставки его на большие расстояния была снята только в 19 веке. Развитие электроэнергетики, как мировой отрасли, призвано обеспечить возрастающие потребности людей в универсальной энергии. В свою очередь основные параметры электросети занимают ведущее место в ее доставке потребителям.
Передача электрического тока на расстояние впервые на практике начала использоваться в телеграфии. В ту пору острая проблема возникла с передачей значимую мощность на большое расстояние постоянным током. По причине нагревания проводов до потребителя доходила мизерная доля электроэнергии, поэтому источник питания и потребитель могли находиться только на небольшой удаленности, которая не превышала 15 км.
Открытие переменного тока позволило преодолеть тупиковое состояние. Автор этого открытия неизвестен, но века следует отметить, что огромное значение переменному току придавал Никола Тесла. На этой почве между ним и Томасом Эдисоном разгорелся исторически спор, который получил название «Война токов».
С 19 века электричество прочно вошло в жизнь человека. Эдисон был приверженцем постоянного тока и ратовал за его развитие, но тогда его передача ограничивалась 15 км. Несмотря на приводимые доводы в пользу постоянного тока, победу по передаче большой мощности одержал все-таки переменный ток, а трехфазный ток окончательно поставил точку в этом направлении на ближайшую перспективу.
Громадная заслуга в развитии электроэнергетики принадлежит русскому инженеру Доливо-Добровольскому, который показал преимущества систем трехфазного тока при передаче его на большие расстояния.
В 1891 году впервые была передана электроэнергия на расстояние 178 км при напряжении 30 кВ с КПД 77%. Он создал также трехфазный синхронный генератор, трехфазный трансформатор и асинхронный электродвигатель.
Почему в России напряжение 220 В?
Развитие электроэнергетики начиналось с использования в практических целях постоянного тока. Немалая лепта в этом направлении принадлежит Эдисону. С ним связано массовое производство ламп с угольными электродами, использующими для освещения электрическую дугу.
Изобретение принадлежит Яблочкову и называется свечой его имени. В ходе экспериментов было установлено, что устойчивое состояние дуги между электродами достигается при оптимальном напряжении 45 В.
В момент возникновения дуги, когда электроды соприкасаются друг с другом, в лампе возникает ток короткого замыкания. Для его уменьшения и стабильного горения дуги использовалось балластное сопротивление. Балласт позволял сгладить перепады тока, но падение напряжения на нем дополнительно составляло 20 В.
В этом случае для функционирования свечи Яблочкова требовалось напряжение 65 В. Лампы с угольными электродами по причине экономии энергии стали использоваться парами, но с одним балластом. Для питания такой системы величина напряжения составляла 110 В, и в конце 19 века такое значение напряжения в электросетях постоянного тока для бытового применения считалось стандартным.
С целью сокращения высоких потерь мощности в проводах, Эдисон предложил удвоить величину постоянного напряжения до 220 В, то есть один из основных параметров электросети. Идея Теслы, относительно переменного тока, базировалась на действующем уже стандарте. Его предложение касалось однофазного и двухфазного варианта электрической сети, поэтому для двухфазного тока было принято значение линейного напряжения 220 В.
В то же время, Тесла отстаивал вращение генератора переменного тока как 3600 оборотов в минуту, что соответствовало частоте 60 Гц. По его мнению, это значение удачно сочеталось с системой исчисления времени, поэтому в США частота переменного тока 60 Гц была принята в качестве стандарта. Однако с внедрением трехфазного тока, двухфазная система Теслы в скором времени изжила себя.
В Европе раньше электрогенераторы вращались посредством паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания. Оптимальной скоростью их вращения считалось 3000 оборотов в минуту, что соответствовало частоте переменного тока 50 Гц. Поэтому в Европе был принят стандарт напряжения 220 В с частотой 50 Гц.
Развитие электроэнергетики в России имеет германское начало, так как строительство электростанций осуществлялось с привлечением немецких инженеров. Поэтому, принятые стандарты в Европе, автоматически перекочевали в российскую электроэнергетику. В нашей стране до 60-х годов прошлого столетия в бытовом секторе использовалось переменное напряжение 127 В, но в США не 110 В, а 120 В.
Впоследствии для снижения затрат в России значение переменного напряжения было увеличено до 220 В, а в Европе до 230 В. На этом остановились, так как более высокое напряжение становилось опасным для человека. В Америке, чтобы не выбрасывать старые электроприборы, напряжение 120 В попросту увеличили до 240 В.
С целью унификации с европейскими стандартами в России принят ГОСТ 29322-2014. В нем закреплено применение в бытовом секторе переменного однофазного напряжения 230 В и трехфазного – 400 В.
Наряду с этим документом, продолжается действие старого стандарта 220/380 В не ослабло, а также допустим и третий вариант 240/415 В. Однако на более 60% территории России, где проживает примерно 100 млн человек, существует еще децентрализованное электроснабжение.
Развитие электроэнергетики России
До революции развитие электроэнергетики в России осуществлялось замедленными темпами. Так, электроснабжение бакинских нефтепромыслов напряжением 20 кВ осуществилось только в 1902 году, и лишь в 1912 году была построена в 70 км от Москвы торфяная электростанция с напряжением ЛЭП 70 кВ.
Массовая электрификация России началась с 1920 года в соответствии с принятым планом ГОЭЛРО, рассчитанным на 15 лет. К 1938 году план был перевыполнен в 3 раза. Далее развитие электроэнергетики России осуществлялось по пятилетним планам.
В конечном итоге в СССР была создана мощная и самая большая энергосистема. Она была закольцована с энергосистемами стран Восточной Европы и являлась сердцем международной энергетической системы «Мир».
Наиболее активный период электроэнергетики СССР приходится на 50-е годы прошлого века. Тогда была введена в строй первая опытно-промышленная ЛЭП Кашира – Москва длиной 100 км с напряжением 200 кВ и мощностью 30 МВт. После восстановления разрушенного войной народного хозяйства с 1956 года по 1960 год были построены ЛЭП 500 кВ от электростанций на Волге, снабжающие электричеством Москву и Урал.
Так, в 1956 году была введена в эксплуатацию первая двух цепная ЛЭП 400 кВ Куйбышев – Москва. Общая протяженность трассы составляла около 1690 км, и она включала три переключательных пункта в Вешкайме, Арзамасе, Владимире и две приемные подстанции в районе Москвы («Ногинск» и «Бескудниково»).
На заключительном этапе строительства электротрассы Куйбышевская ГЭС – Москва совершено важное открытие. Незначительное усовершенствование основного оборудования ЛЭП способствовало работать с напряжением до 500 кВ. Такая возможность выливалась в получение громадного экономического эффекта, поэтому в строящиеся ЛЭП были внесены соответствующие корректировки.
Потом в 60 – 70 годы появились первые в мире ЛЭП с напряжением 750 кВ, а несколько позднее – линии переменного тока 1150 кВ. ЛЭП первого типа имеются лишь в США, Бразилии и Канаде.
Подавляющая доля ЛЭП на участках жилых массивов в последние годы имеют кабельный или кабельно-воздушный вариант. Для этой цели используются кабели из созданного на микромолекулярном уровне полиэтилена на напряжение 110, 220, 500 кВ и номинальный ток до 4000 А.
Параметры электросети
Источником тока электросети является генератор, установленный на электростанции, и он вырабатывает синусоидальный переменный ток. Генератор трехфазного тока содержит три обмотки, напряжения в которых сдвинуты на 120 градусов.
Напряжение, поступающее из энергосистемы, сначала понижается до 6-10 кВ и поступает на трансформаторную подстанцию. После нее напряжение 380/220 В распределяется между потребителями электроэнергии.
К базовым параметрам любой электросети переменного тока относятся: напряжение, мощность и номинальная частота. Электрическая сеть характеризуется и другими стандартными параметрами, но они представляют профессиональный интерес и на бытовом уровне принимаются во внимание редко. К ним следует отнести:
- коэффициент временного напряжения;
- диапазон изменения напряжения;
- импульсное напряжение;
- отклонение частоты напряжения и другие.
Напряжение в трехфазной сети
По напряжению электросеть переменного синусоидального тока характеризуется действующим (среднеквадратичным) его значением, например 220 В. Подавляющая часть измерительных приборов (тестеров, вольтметров) и приемников электроэнергии рассчитано именно на это величину.
Однако в связке с действующим напряжением присутствует так называемое пиковое (амплитудное) напряжение 310 В. Его можно измерить, например, с помощью осциллографа. Соотношение между ними следующее:
Для трехфазных электросетей в России утверждена стандартная последовательность номинальных значений разности потенциалов: 220/127, 380/220, 660/380 В; 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ и в них различают линейные (числитель) и фазные (знаменатель) напряжения.
Первый тип разности потенциалов присутствует между двумя любыми фазами и составляет, к примеру, 380 В, а фазное напряжение 220 В присутствует между фазой и нейтральным (нулевым) проводом. Эти величины связаны соотношением:
Нередко при некачественном энергоснабжении действующее напряжение в электрической сети невозможно точно определить с помощью цифрового мультиметра (цифры начинают прыгать). На показания прибора оказывают влияние, например, отклонение напряжения по форме от гладкой синусоиды, гармоники, симметрия циклов и другие импульсные помехи.
Несмотря на то, что перепады напряжения сглаживаются, каждый прибор отличается своими фильтрами и аналого-цифровыми преобразователями, поэтому погрешность их показаний будет разная.
Мощность переменного тока
В электросети переменного тока различают три вида мощности: активную (Р), реактивную (Q) и полную (S).За единицу измерения активной мощности принят Ватт (Вт или W). Учет реактивной мощности осуществляется в Вольт-Амперах (В.А, V.A) специальными приборами с обозначениями «Вар» (Var). Полная мощность также измеряется в Вольт-Амперах.
В общем случае для трехфазной нагрузки активная мощность соответствует сумме мощностей каждой из фаз. В зависимости от величины коэффициента мощности, то есть угла сдвига фаз (φ), активная мощность может принимать положительное или отрицательное значение.
В однофазной цепи активная мощность энергии изменяется только по величине, но не по направлению, так как коэффициент принимает значение 1. В этом случае она является необратимой, поступает к потребителю и превращается в другие виды энергии.
Реактивная мощность обусловлена нагрузками индуктивного и емкостного характера. Она не преобразуется в тепло или другие виды энергии, потому что ее среднее значение за период составляет нуль. Однако наличие токов между генератором и реактивным потребителем создает бесполезную нагрузку на генератор и линию, что обуславливает дополнительные потери электроэнергии.
Для трехфазной нагрузки в общем случае реактивная мощность соответствует сумме мощностей в каждой фазе. При угле сдвига фаз от 0 до +90 градусов, то есть при преобладании индуктивной нагрузки она принимает положительное значение, а от 0 до -90 градусов, то есть при преобладании емкостной нагрузки – отрицательное.
Значение полной мощности электросети из трех фаз определяется как общая сумма активной и реактивной составляющей. От ее величины зависят размеры генератора и как следствие поперечное сечение и количество витков проводов обмотки, а также толщина материала изоляции. В частности, для однофазной цепи справедлива формула:
S = U × I,
где U —действующее значение напряжения в генераторе (B);
I — действующая сила тока c учетом обмотки генератора (A).
В любом случае следует принимать во внимание, что величина полной мощности имеет смысл, когда активная мощность преобладает над отрицательной реактивной составляющей. Когда выражение под знаком радикала становиться комплексным числом, то его действительная часть соответствует активной мощности, а мнимая – реактивной.
Поэтому непосредственное вычисление комплексной мощности по току и напряжению не представляется возможным по причине, что ее величина становится не синусоидальной при синусоидальном токе. Для исследования используется сложный математический аппарат с привлечением комплексных чисел.
Частота переменного тока
Как известно, любому синусоидальному процессу присуща частота колебаний, которая является основным параметром электросети. Число оборотов турбины генераторов связано непосредственно с частотой производимого переменного тока.
Его номинальная частота 50 (60) Гц определена из чисто практических соображений. Наиболее опасным диапазоном частот считается 40 — 60 Гц, но с увеличением частоты риск поражения электрическим током сокращается.
Проводимые исследования показывают, что на современном уровне технологического развития более эффективным считается использование частоты 170-240 Гц. Кроме безопасности, с повышением частоты переменного тока, как известно, значительно сокращаются габариты индуктивных устройств (генераторов, электродвигателей, трансформаторов и т.д.).
Однако с изменением этого параметра потребуются неоправданно высокие расходы, как на реконструкцию существующих электросетей, так и широкого парка используемых промышленных и бытовых приемников тока. Поэтому в ближайшее время считается нецелесообразно отходить от существующей частоты переменного тока 50 (60) Гц.
Если для ряда устройств, например, нагревателей, ламп накаливания, импульсных блоков питания и других частота переменного тока не играет существенной роли, то для потребителей с реактивным характером нагрузки ее изменение критично. По причине изменения их параметров, и в первую очередь сопротивления, они не в состоянии работать в заданных режимах.
Поэтому частота в электросети должна быть стабильной, для чего используются различные методы и устройства, а для измерения специальные приборы (частотомеры). Измерение частоты вращения, например, валов электродвигателей осуществляется тахометром.
С частотой переменного тока (f) в герцах тесно связана угловая частота (ω), измеряемая рад/с. Она больше используется в расчетах электрических цепей, а соотношение частот определяется формулой: ω = 2πf = 2π/T.
Наиболее просто частота переменного тока определяется осциллографом на основе сравнения эталонной частоты с измеряемым значением. По так называемым фигурам Лиссажу на экране удается рассчитать измеряемую частоту переменного тока.
Таким образом, развитие электроэнергетики позволило использовать электрический ток в разных сферах жизни. Для передачи энергии от источника на большие расстояния наилучшей формой оказался трехфазный переменный ток, но удовлетворение бытовых нужд по большей части принадлежит однофазному току, базирующемуся на трехфазной системе.
Основные параметры электросети, которыми она характеризуется, включают: напряжение, мощность и частоту переменного тока. Эти технические характеристики широко используются как в теоретических разработках, так и на практике.
P.S. Основным инструментом заработка в сети и не только является компьютер. Как придать ему надежность, сделав быстрым и бессмертным, а также ускорить его работу до 30 раз приводится в следующей рассылке: barabyn.ru/wp/computer.
