Мы настолько привыкли к электричеству в быту, что, вставляя штепсельную вилку в розетку, практически не задумываемся о том, какой ток в розетке и сколько вольт в питающей фазе. И уж тем более о том, откуда появились цифры 220, 380 и 50. А история эта весьма интересна и поучительна.
Битва титанов
Пальма первенства в бытовом применении электричества принадлежит американскому изобретателю Томасу Эдисону. О том, кому принадлежат авторские права на лампу накаливания с угольными стержнями можно спорить, но вот идея использовать электричество повсеместно – как раз его. Как и знаменитый резьбовой цоколь типоразмера Е, который мы до сих пор применяем.
Во второй половине XIX века человечеству было известно только об одном типе электрического тока – постоянном. Поэтому основанная Эдисоном компания Edison Machine Works производила электрические машины – генераторы и двигатели – постоянного тока, на нем же работали и дуговые лампы, используемые для освещения.
Опытным путем было определено, что этот прибор лучше всего работает при напряжении 45 вольт, а для устойчивого горения дуги в схему требуется включить еще и балластное напряжение, гасящее пусковой ток и рассеивающее еще 20 вольт. Итого, в питающей сети должно было быть 65 вольт, но одной лампы было совершенно недостаточно для эффективного освещения. Поэтому последовательно с ней включалась еще одна. Итого в линии должно оказаться (45х2+20) 110 вольт.
Однако постоянный ток имеет свойство сильно затухать на больших расстояниях от генератора. Для расширения количества абонентов электростанции номинал генерируемого напряжения увеличили до 220 вольт и создали трехпроводную воздушную линию, состоящую из двух фазных и одного нейтрального проводника.
В 1884 году в компанию Edison Machine Works был принят мало кому на тот момент известный изобретатель Никола Тесла, эмигрант из Европы. Вот он считал, что именно переменный ток сулит большие выгоды в деле распространения электричества, чем постоянный.
Дело в том, что его генерация была связана с меньшими трудностями, а главное в том, что он поддавался трансформации (увеличению и уменьшению силы) путем использования довольно нехитрого изобретения, состоящего из двух катушек индуктивности на одном металлическом сердечнике. Тесла с Эдисоном не сошлись, что называется, характерами. В частности потому, что неизвестный никому инженер сумел значительно улучшить характеристики машин постоянного тока и предложить свои 24 варианта.
Уволенный из компании Эдисона Тесла еще три года бедствовал и жил чуть ли не на улице. До тех пор, пока благодаря меценатам (инженер Браун) не основал в 1888 году свою бизнес-структуру Tesla Electric Company, занявшуюся тем же, что и его первый работодатель, но на основе переменного тока.
И оказался более успешным, поскольку изменяющий направление движения поток электронов оказался более дешевым в производстве и легким в управлении. Благодаря ему Никола Тесла воплотил в жизнь идею-фикс Томаса Эдисона о том, что электрическая лампочка должна быть в каждом доме и стоить не дороже 2,5 цента.
Проложенные Эдисоном линии электропередач можно было не менять, поскольку генераторы переменного тока были трехфазными. А для того чтобы номинал межфазного напряжения остался теми же 220 вольтами, в каждой из них было 127 вольт – 220, поделенное на √3. Для справки: в центральных районах Нью-Йорка, в зданиях начала XX века, до сих пор работают лифты, приводимые в действие электродвигателями Эдисона, питающиеся от постоянного тока напряжением 110 вольт.
Как появились 220, 380 и 50
В нашей стране бытовое напряжение 127 вольт существовало до середины 60-х годов прошлого века. Из-за увеличения числа потребителей перед инженерами встала проблема: как увеличить подаваемую мощность без переделки линий электропередач. Чтобы не увеличивать сечение проводов, питающее напряжение подняли до 220 вольт. В результате этого межфазное стало 220∙√3=380 вольт.
Частота переменного тока в розетке так же выбиралась опытным путем. Один из отцов-основателей теории трехфазного переменного тока, русский инженер Доливо-Добровольский предложил номинал в 30-40 Гц. Оказалось, что для двигателей внутреннего сгорания (они приводили в действие генераторы) оптимальной является частота вращения коленвала, равная около 3 тыс. оборотов в минуту.
Делим это значение на 60 и получаем 50 Гц – 50 колебаний в одну секунду. Это и есть номинал промышленной частоты переменного тока в России. В других странах, например, в США, она равна 60 Гц. На меньших значениях становится заметной пульсация ламп накаливания, а при больших возрастают потери на передачу электричества.
Вместе с номиналом электрического напряжения изменилась и силовая нагрузка в цепи. До 70-х годов XX века бытовая электротехническая арматура – розетки, выключатели – была рассчитана на 5 ампер. Сейчас фаза в розетке имеет силу тока, равную 16 ампер. И минимальный номинал тока для приборов защиты – пробок, автоматических выключателей равен тому же значению.
Подробно о параметрах напряжения и частоты переменного напряжения домашней сети читайте тут.
От электростанции до бытовой розетки
Электрические линии Эдисона были не длиннее 2 миль. Изобретение Николой Тесла трехфазных генераторов переменного тока позволило передавать электричество на сотни и тысячи километров. Однако для достижения этого результата вырабатываемое напряжение должно быть в десятки тысяч раз больше, чем то, что есть в нашей бытовой розетке.
По пути от электростанции оно поддерживается и постепенно снижается, для чего используются трансформаторные станции. По своему назначению линии электропередач бывают следующих типов:
- Сверхдальние высоковольтные линии. Напряжение в них от 500 киловольт. Они используются для того, чтобы связать воедино несколько энергетических систем. В России их семь – Средней Волги, Урала, Юга, Северо-Запада, Центра, Востока и Сибири.
- Магистральные высоковольтные линии. Напряжение 220-330 кВ. Применяются для связи региональных энергетических систем (в нашей стране их 70) и электростанций внутри них.
- Распределительные высоковольтные линии. Напряжение 150, 110 и 35 кВ. Последние используются для обеспечения электричеством территориальных образований областного подчинения (районов).
- Высоковольтные линии для питания населенных пунктов и кондоминиумов. Напряжение 20, 10 и 6 киловольт. Они находятся в собственности и на обслуживании районных РЭС.
- Низковольтные линии для обеспечения электроэнергией потребителей. Те самые 380 вольт, которые вследствие применения схемы с глухозаземленной нейтралью позволяют перейти от линейного (межфазного) к фазному напряжению 220 вольт.
Энергопотребление постоянно растет. Уже сейчас многие квартиры и частные дома потребляют столько электричества, которого в середине прошлого века хватало на целую улицу. Поэтому вполне возможно, что настанет такой момент, когда бытовое напряжение станет 380 вольт.
Мы настолько привыкли к электричеству в быту, что, вставляя штепсельную вилку в розетку, практически не задумываемся о том, какой ток в розетке и сколько вольт в питающей фазе. И уж тем более о том, откуда появились цифры 220, 380 и 50. А история эта весьма интересна и поучительна.
Битва титанов
Пальма первенства в бытовом применении электричества принадлежит американскому изобретателю Томасу Эдисону. О том, кому принадлежат авторские права на лампу накаливания с угольными стержнями можно спорить, но вот идея использовать электричество повсеместно – как раз его. Как и знаменитый резьбовой цоколь типоразмера Е, который мы до сих пор применяем.
Во второй половине XIX века человечеству было известно только об одном типе электрического тока – постоянном. Поэтому основанная Эдисоном компания Edison Machine Works производила электрические машины – генераторы и двигатели – постоянного тока, на нем же работали и дуговые лампы, используемые для освещения.
Опытным путем было определено, что этот прибор лучше всего работает при напряжении 45 вольт, а для устойчивого горения дуги в схему требуется включить еще и балластное напряжение, гасящее пусковой ток и рассеивающее еще 20 вольт. Итого, в питающей сети должно было быть 65 вольт, но одной лампы было совершенно недостаточно для эффективного освещения. Поэтому последовательно с ней включалась еще одна. Итого в линии должно оказаться (45х2+20) 110 вольт.
Однако постоянный ток имеет свойство сильно затухать на больших расстояниях от генератора. Для расширения количества абонентов электростанции номинал генерируемого напряжения увеличили до 220 вольт и создали трехпроводную воздушную линию, состоящую из двух фазных и одного нейтрального проводника.
В 1884 году в компанию Edison Machine Works был принят мало кому на тот момент известный изобретатель Никола Тесла, эмигрант из Европы. Вот он считал, что именно переменный ток сулит большие выгоды в деле распространения электричества, чем постоянный.
Дело в том, что его генерация была связана с меньшими трудностями, а главное в том, что он поддавался трансформации (увеличению и уменьшению силы) путем использования довольно нехитрого изобретения, состоящего из двух катушек индуктивности на одном металлическом сердечнике. Тесла с Эдисоном не сошлись, что называется, характерами. В частности потому, что неизвестный никому инженер сумел значительно улучшить характеристики машин постоянного тока и предложить свои 24 варианта.
Уволенный из компании Эдисона Тесла еще три года бедствовал и жил чуть ли не на улице. До тех пор, пока благодаря меценатам (инженер Браун) не основал в 1888 году свою бизнес-структуру Tesla Electric Company, занявшуюся тем же, что и его первый работодатель, но на основе переменного тока.
И оказался более успешным, поскольку изменяющий направление движения поток электронов оказался более дешевым в производстве и легким в управлении. Благодаря ему Никола Тесла воплотил в жизнь идею-фикс Томаса Эдисона о том, что электрическая лампочка должна быть в каждом доме и стоить не дороже 2,5 цента.
Проложенные Эдисоном линии электропередач можно было не менять, поскольку генераторы переменного тока были трехфазными. А для того чтобы номинал межфазного напряжения остался теми же 220 вольтами, в каждой из них было 127 вольт – 220, поделенное на √3. Для справки: в центральных районах Нью-Йорка, в зданиях начала XX века, до сих пор работают лифты, приводимые в действие электродвигателями Эдисона, питающиеся от постоянного тока напряжением 110 вольт.
Как появились 220, 380 и 50
В нашей стране бытовое напряжение 127 вольт существовало до середины 60-х годов прошлого века. Из-за увеличения числа потребителей перед инженерами встала проблема: как увеличить подаваемую мощность без переделки линий электропередач. Чтобы не увеличивать сечение проводов, питающее напряжение подняли до 220 вольт. В результате этого межфазное стало 220∙√3=380 вольт.
Частота переменного тока в розетке так же выбиралась опытным путем. Один из отцов-основателей теории трехфазного переменного тока, русский инженер Доливо-Добровольский предложил номинал в 30-40 Гц. Оказалось, что для двигателей внутреннего сгорания (они приводили в действие генераторы) оптимальной является частота вращения коленвала, равная около 3 тыс. оборотов в минуту.
Делим это значение на 60 и получаем 50 Гц – 50 колебаний в одну секунду. Это и есть номинал промышленной частоты переменного тока в России. В других странах, например, в США, она равна 60 Гц. На меньших значениях становится заметной пульсация ламп накаливания, а при больших возрастают потери на передачу электричества.
Вместе с номиналом электрического напряжения изменилась и силовая нагрузка в цепи. До 70-х годов XX века бытовая электротехническая арматура – розетки, выключатели – была рассчитана на 5 ампер. Сейчас фаза в розетке имеет силу тока, равную 16 ампер. И минимальный номинал тока для приборов защиты – пробок, автоматических выключателей равен тому же значению.
Подробно о параметрах напряжения и частоты переменного напряжения домашней сети читайте тут.
От электростанции до бытовой розетки
Электрические линии Эдисона были не длиннее 2 миль. Изобретение Николой Тесла трехфазных генераторов переменного тока позволило передавать электричество на сотни и тысячи километров. Однако для достижения этого результата вырабатываемое напряжение должно быть в десятки тысяч раз больше, чем то, что есть в нашей бытовой розетке.
По пути от электростанции оно поддерживается и постепенно снижается, для чего используются трансформаторные станции. По своему назначению линии электропередач бывают следующих типов:
- Сверхдальние высоковольтные линии. Напряжение в них от 500 киловольт. Они используются для того, чтобы связать воедино несколько энергетических систем. В России их семь – Средней Волги, Урала, Юга, Северо-Запада, Центра, Востока и Сибири.
- Магистральные высоковольтные линии. Напряжение 220-330 кВ. Применяются для связи региональных энергетических систем (в нашей стране их 70) и электростанций внутри них.
- Распределительные высоковольтные линии. Напряжение 150, 110 и 35 кВ. Последние используются для обеспечения электричеством территориальных образований областного подчинения (районов).
- Высоковольтные линии для питания населенных пунктов и кондоминиумов. Напряжение 20, 10 и 6 киловольт. Они находятся в собственности и на обслуживании районных РЭС.
- Низковольтные линии для обеспечения электроэнергией потребителей. Те самые 380 вольт, которые вследствие применения схемы с глухозаземленной нейтралью позволяют перейти от линейного (межфазного) к фазному напряжению 220 вольт.
Энергопотребление постоянно растет. Уже сейчас многие квартиры и частные дома потребляют столько электричества, которого в середине прошлого века хватало на целую улицу. Поэтому вполне возможно, что настанет такой момент, когда бытовое напряжение станет 380 вольт.
Уровень напряжения – одни из критериев качества электроснабжения. Каждый из бытовых электроприборов рассчитан на продолжительную нормальную работу при условии питания его от напряжения, находящегося в пределах допустимых значений. В данной статье рассмотрим вопрос о том, какое напряжение в бытовой сети является оптимальным для работы электроприборов.
Уровень напряжения в электрической сети
Прежде всего, следует отметить, что на уровень напряжения в электрической сети влияет множество различных факторов. Электричество от источника – электростанции к конечному потребителю, в частности в жилые дома, приходит, пройдя несколько этапов преобразования. На первом этапе напряжение повышается для передачи его на большие расстояния, по энергосистеме. По мере приближения к конечному потребителю, электричество проходит несколько этапов преобразования напряжения до значений, используемых в быту.
Фиксированное значения напряжения в различных участках энергосистемы невозможно обеспечить, так как в энергетической системе постоянно происходят различные процессы: увеличивается или снижается нагрузка, соответственно изменяется и количество вырабатываемой электроэнергии на электростанциях, возникают аварийные ситуации на различных участках электрической сети, которые в той или иной мере влияют на уровни напряжения. Поэтому на каждом этапе преобразования электроэнергии осуществляется регулировка уровня напряжения, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.
Основной задачей регулировки напряжения обеспечить уровень напряжения на тех или иных участках электрической сети в пределах допустимых значений. То же самое касается конечного этапа, который обеспечивает понижение напряжения величины, используемой в быту – 220/380 В.
В наиболее часто используемой для электроснабжения потребителей однофазной электрической сети напряжением 220 В нормально допустимые отклонения напряжения находятся в пределах +/- 5 %. То есть диапазон напряжения 209-231 В является нормальным, может быть постоянным, соблюдение напряжения сети в пределах данных значений является одним из критериев качественного электроснабжения.
Но, как и упоминалось выше, в электрической сети могут возникать аварийные режимы работы, которые могут влиять на уровни напряжения в электрической сети. В связи с этим существует еще одна норма – предельно допустимые отклонения напряжения, которые составляют +/- 10 % или 198-242 В.
Данные отклонения напряжения допускаются на незначительное время, как правило, на время ликвидации аварийной ситуации в электрической сети или на время оперативных переключений, в процессе которых происходит временное изменение значений напряжения электросети.
Какое напряжение в бытовой сети оптимальное для работы электроприборов?
Выше приведены общие нормы напряжения электрической сети. Что касается бытовых электроприборов, то в большинстве случаев они проектируются для нормальной работы в диапазоне предельно допустимых отклонений напряжения, то есть 198-242 В. При этом электроприборы не должны выходить из строя в случае непродолжительного превышения напряжения выше 242 В.
Если рассматривать диапазоны допустимых напряжений в паспортах бытовых электроприборов, то можно выделить две группы электроприборов. К первой группе можно отнести те электроприборы, которые меньше всего подвержены перепадам напряжения – это электрический чайник, электропечь, бойлер, электрический обогреватель и другие электроприборы, в которых основным конструктивным элементом является тепловой нагревательный элемент.
Ко второй группе можно отнести электроприборы, которые наиболее подвержены перепадам напряжения – это, прежде всего, компьютерная техника, блоки питания различной техники, аудио- и видеотехника и различные дорогостоящие электроприборы, конструктивно имеющие электронные схемы, преобразователи.
В паспорте электроприборов первой группы в большинстве случаев можно увидеть рекомендуемое рабочее напряжение 230 В. По сути данные электроприборы будут работать и при более низком напряжении, но при этом они будут работать менее эффективно.
Электроприборы второй группы, как более подверженные к перепадам напряжений, проектируется с учетом работы в широких диапазонах. Часто диапазоны рабочих напряжений выходят ниже предельно допустимых. Например, блок питания аудио- видеоаппаратуры, зарядное устройство мобильного телефона рассчитано для работы в пределах 100-240 В.
Отдельно следует выделить бытовые приборы, конструктивно имеющие электродвигатель, насос или компрессор. Перечисленные элементы рассчитаны для работы при номинальном напряжении, как правило, это 220-230 В.
В случае понижения напряжения в электрической сети увеличивается ток нагрузки в электродвигателе (насосе, компрессоре), что в свою очередь приводит к перегреву его обмоток и снижению срока службы изоляции. В данном случае, чем ниже напряжение в электрической сети, тем меньше срок службы данных электроприборов, в частности их конструктивных элементов – электродвигателей (насосов, компрессоров).
Учитывая диапазоны допустимого напряжения всех электроприборов, используемых в быту, можно сделать вывод, что наиболее оптимальным напряжением в электрической сети является напряжение величиной 230 В. При таком значении напряжения будут нормально работать электроприборы с электродвигателями, нагревательными элементами, а также электроприборы, конструктивно имеющие электронные схемы и преобразователи.
Рассматривая вопрос о том, какое напряжение в бытовой сети оптимальное для работы электроприборов, следует учитывать, что важен не только уровень напряжения, но и его стабильность.
Под стабильностью подразумевается отсутствие скачков напряжения, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Перепады напряжения негативно влияют на работу электроприборов и, в конечном счете, могут привести к выходу их из строя.