Почему в лэп высокое напряжение

Почему передачу электроэнергии на расстояние выполняют на повышенном напряжении

Сегодня передачу электрической энергии на расстояние всегда выполняют на повышенном напряжении, которое измеряется десятками и сотнями киловольт. По всему миру электростанции различного типа генерируют электричество гигаваттами. Это электричество распределяется по городам и селам при помощи проводов, которые мы можем видеть например вдоль трасс и железных дорог, где они неизменно закреплены на высоких опорах с длинными изоляторами. Но почему передача всегда осуществляется на высоком напряжении? Об этом расскажем далее.

Представьте что вам необходимо передать по проводам электрическую мощность хотя бы в 1000 ватт на расстояние 10 километров в форме переменного тока с минимальными потерями, чтобы запитать мощный киловаттный прожектор. Что вы предпримете? Очевидно, что напряжение необходимо будет так или иначе преобразовывать, понижать или повышать при помощи трансформатора.

Допустим, источник (небольшой бензиновый генератор) выдает напряжение 220 вольт, при этом в вашем распоряжении есть двухжильный медный кабель с сечением каждой жилы по 35 кв.мм. На 10 километров такой кабель даст активное сопротивление около 10 Ом.

Нагрузка мощностью 1 кВт имеет сопротивление около 50 Ом. И что если передаваемое напряжение оставить на уровне 220 вольт? Это значит, что шестая часть напряжения придется (упадет) на передающий провод, который окажется под напряжением около 36 вольт. И вот, порядка 130 Вт потеряно по пути — просто подогрели передающие провода. А на прожекторе получим не 220 вольт, а 183 вольта. КПД передачи оказалось 87%, и это пренебрегая еще индуктивном сопротивлении передающих проводов.

Дело в том, что активные потери в передающих проводах всегда прямо пропорциональны квадрату тока (см. Закон Ома). Следовательно если передачу той же самой мощности осуществить при более высоком напряжении, то падение напряжения на проводах не окажется столь губительным фактором.

Допустим теперь иную ситуацию. У нас имеется тот же самый бензиновый генератор, выдающий 220 вольт, те же 10 километров провода с активным сопротивлением 10 Ом, и тот же самый прожектор на 1кВт, но плюс ко всему еще есть два киловаттных трансформатора, первый — повышающий 220-22000 вольт, расположенный возле генератора и подключенный к нему обмоткой низкого напряжения, а обмоткой высокого напряжения — присоединен к передающим проводам. А второй трансформатор, на расстоянии 10 километров, — понижающий 22000-220 вольт, к обмотке низкого напряжения которого присоединен прожектор, а обмотка высокого напряжения — получает питание от передающих проводов.

Итак, при мощности нагрузки 1000 ватт при напряжении 22000 вольт, ток в передающем проводе (здесь можно обойтись без учета реактивной составляющей) составит всего 45мА, а значит на нем упадет уже не 36 вольт, (как было без трансформаторов) а всего 0,45 вольт! Потери составят уже не 130 Вт, а всего 20 мВт. КПД такой передачи на повышенном напряжении составит 99,99%. Вот почему передача на повышенном напряжении более эффективна.

В нашем примере ситуация рассмотрена грубо, и использовать дорогие трансформаторы для такой простой бытовой цели было бы конечно нецелесообразным решением. Но в масштабах стран и даже областей, когда речь идет о расстояниях в сотни километров и об огромных передаваемых мощностях, стоимость электроэнергии, которая могла бы потеряться, тысячекратно превышает любые затраты на трансформаторы. Вот почему при передаче электроэнергии на расстояние всегда применяется повышенное напряжение, измеряемое сотнями киловольт — чтобы снизить потери мощности при передаче.

Непрерывный рост электропотребления, концентрация генерирующих мощностей на электростанциях, сокращение свободных от застройки территорий, ужесточение требований по защите окружающей среды, инфляция и рост цен на землю, а также ряд других факторов настоятельно диктуют повышение пропускной способности линий электропередачи.

Конструкции различных линий электропередачи рассмотрены здесь: Устройство различных ЛЭП разного напряжения

Объединение энергетических систем, увеличение мощности электрических станций и систем в целом сопровождаются увеличением расстояний и потоков мощности, передаваемых по линии электропередачи. Без мощных линий электропередачи высокого напряжения невозможна выдача энергии от современных крупных электростанций.

Единая энергетическая система позволяет обеспечить передачу резервной мощности в те районы, где имеется в ней потребность, связанная с ремонтными работами или аварийными условиями, появится возможность передавать избыток мощности с запада на восток или наоборот, обусловленный поясным сдвигом во времени.

Благодаря дальним передачам стало возможным строительство сверхмощных электростанций и полное использование их энергии.

Капиталовложения на передачу 1 кВт мощности на заданное расстояние при напряжении 500 кВ в 3,5 раза ниже, чем при напряжении 220 кВ, и на 30 — 40% ниже, чем при 330 — 400 кВ.

Стоимость передачи 1 кВт•ч энергии при напряжении 500 кВ вдвое ниже, чем при напряжении 220 кВ, и на 33 — 40% ниже, чем при напряжении 330 или 400 кВ. Технические возможности напряжения 500 кВ (натуральная мощность, расстояние передачи) в 2 — 2,5 раза превышают возможности напряжения 330 кВ и в 1,5 раза — напряжения 400 кВ.

Линия напряжением 220 кВ может передать мощность 200 — 250 МВт на расстояние до 200 — 250 км, линия 330 кВ — мощность 400 — 500 МВт на расстояние до 500 км, линия 400 кВ — мощность 600 — 700 МВт на расстояние до 900 км. Напряжение 500 кВ обеспечивает передачу мощности 750 — 1 000 МВт по одной цепи на расстояние до 1 000 — 1 200 км.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Основы электропитания. Почему в розетке высокое напряжение

В предыдущей части цикла было показано, что электричество необходимо человеку в качестве промежуточного звена для передачи энергии в нужную точку пространства с последующим преобразованием ее в тот вид энергии, который ему действительно необходим. Благодаря освоению электричества, в наших домах появился удобный, доступный и условно неисчерпаемый источник энергии, без которого нашу жизнь уже сложно представить.

Однако вместе с появлением электропроводки в наши дома пришла новая опасность – опасность поражения электрическим током. Каждый из нас с детства знает, что «пальцы в розетку совать нельзя». И хоть это физически невозможно – диаметр отверстий в розетке намного меньше толщины даже самого тонкого человеческого пальца, – все понимают, что с любым электрическим оборудованием нужно обращаться осторожно, а разбирать и ремонтировать электроприборы неподготовленному человеку категорически запрещено.

Причиной этого является высокое напряжение. На сегодняшний день, номинальное напряжение в наших розетках равно опасному для жизни человека значению – 230 B. Более того, один из проводов розетки («ноль») электрически соединен с землей, поэтому если стоящий на земле человек случайно коснется второго провода («фазы»), то цепь замкнется и по телу человека через землю пойдет ток.

Но почему выбрано столь высокое напряжение? Разве сложно было придумать электропроводку с напряжением, например, 12 В – как в легковых автомобилях? Тогда количество бед от электрического тока было бы намного меньше. К сожалению, это не получится, и в этой части цикла будет рассмотрено, почему.

Электрические процессы в системах электропитания

Простейшая система электропитания состоит из источника и потребителя электрической энергии (Рисунок 1). Потребитель электрической энергии (нагрузка) является самым важным элементом системы. Именно это оборудование выполняет нужную и полезную работу, например, электрическая дрель позволяет сверлить отверстия, чайник – греть воду, лампочка – осветить помещение, а компьютер или смартфон – обработать информацию. Без полезной нагрузки система электропитания бессмысленна, ведь она существует только потому, что существуют потребители электрической энергии.

Рисунок 1.

Простейшая система электропитания.

Чтобы потребитель мог работать, ему необходим источник электрической энергии, или, как его часто называют, источник питания. Различают два вида источников: первичные и вторичные (Рисунок 2). Первичные источники преобразуют энергию других видов в электричество, а вторичные преобразуют только параметры электрической энергии. Например, батарейка (гальванический элемент) является первичным источником, поскольку в ней протекает химическая реакция, в результате которой вырабатывается электричество. А вот сетевая зарядка для смартфона уже относится к вторичным источникам (выпрямительное устройство), поскольку она лишь преобразует параметры уже где-то сгенерированного (первичным источником) электричества – в данном случае, переменное напряжение 230 B она преобразует в постоянное, величиной, обычно, 5 В.

Рисунок 2.

Классификация источников электрической энергии.

Если источник питания не соединен с нагрузкой, то между его выводами будет присутствовать некоторое напряжение V – главный параметр любого источника питания. Это очень важный момент, который нужно понять – за величину напряжения в цепи питания отвечает источник. Чтобы запомнить это, достаточно представить розетку, к которой ничего не подключено – напряжение в ней есть (230 В), а тока нет.

Если соединить источник питания с нагрузкой, например, с помощью двух проводов, то электрическая цепь замкнется, в ней начнет протекать электрический ток I, величина которого будет зависеть от оборудования. Это второй важный момент, который нужно понять – за величину тока в цепи питания отвечает потребитель (не зря его называют нагрузкой).

И снова представим розетку, а точнее, блок из двух розеток (Рисунок 3). Если к ним ничего не подключено, то ток в проводах равен нулю. Если подключить настольную лампу, то ток в этом участке сети станет равен какому-нибудь значению, например, 1 А, а если подключить вместо лампы электрический чайник, то ток изменится и уже будет другим, например, 10 А. А если подключить одновременно и чайник и лампу, то ток теперь будет равен сумме токов, потребляемых каждым из потребителей, в данном случае – 10 + 1 = 11 А. То есть, ток в цепи питания определяется нагрузкой – оборудованием, которое выполняет полезную работу.

Рисунок 3.

Напряжение и ток в системе электропитания при разных нагрузках.

Даже если никаких физических коммутаций в цепи питания не происходит, ток, потребляемый нагрузкой, постоянно изменяется. Это связано с тем, что количество работы, выполняемой оборудованием, в каждый момент времени разное. Например, лазерный принтер в режиме ожидания потребляет ток, практически равный нулю, ведь в этом состоянии он просто периодически проверяет порт и светит «зеленым глазом» – энергии для этого нужно немного. Но если потребуется распечатать документ, то принтеру придется забрать лист бумаги с лотка, протащить его через весь механизм, создать с помощью лазера на светочувствительном барабане электростатический образ печатаемого документа, перенести тонер с барабана на лист, и только после этого вплавить тонер в бумагу. Все эти процессы требуют энергии, поэтому в процессе печати энергопотребление лазерного принтера может увеличиться до 1 кВт.

Произведение напряжения и тока в цепи питания дадут мощность P – скорость, с какой энергия будет переходить от источника к нагрузке:

В идеальном случае напряжение V не должно зависеть от тока нагрузки I. Следовательно, мощность P, потребляемая от источника питания, должна быть прямо пропорциональна току I. Однако если постоянно увеличивать ток, то рано или поздно наступит момент, когда нагрузка «потребует» от источника питания энергии больше, чем он может обеспечить. Поскольку напряжение в формуле (1), теоретически, должно быть неизменным (V = const), то произойдет это, когда ток нагрузки станет больше некоторого максимально допустимого значения I_MAX. Максимальный ток нагрузки или максимальная мощность также входят в число самых важных параметров любого источника питания – эти параметры показывают, какое количество энергии можно получить от этого источника за единицу времени.

Рисунок 4.	Выходные характеристики зарядного устройства, указанные на его корпусе.

Выходное напряжение и максимальный выходной ток (максимальная выходная мощность) являются настолько важными для любого блока питания, что их указывают на корпусе прибора. Например, зарядное устройство для смартфона (Рисунок 4) имеет выходное напряжение V = 5 В, и максимальный выходной ток I_MAX = 2 А. Это значит, что его максимальная мощность P_MAX, согласно формуле (1), равна:

Производители источников питания обычно указывают только два параметра. Одним из параметров всегда является выходное напряжение V, а вот вторым может быть или максимальный выходной ток I_MAX, или максимальная выходная мощность P_MAX. Иногда производители для «облегчения жизни» указывают все три параметра: V, I_MAX и P_MAX. Но такая маркировка является избыточной, ведь напряжение, ток и мощность связаны между собой формулой (1).

Влияние линии электропередачи на систему электропитания

А еще формула (1) связывает электрические параметры системы электропитания с энергетическими. Здесь следует снова напомнить, что оборудование будет нормально работать лишь в том случае, когда оно в каждый момент времени будет обеспечено энергией в нужном количестве. То есть, для работы нагрузки необходимо, чтобы источник питания развивал требуемую мощность P, а значения ее составляющих – напряжения V и тока I – в общем случае, особой роли не играют. Это значит, что, теоретически, мы можем использовать в системе электропитания какое угодно напряжение V, ведь оборудование создается человеком, которому никто не запрещает использовать то напряжение, которое ему удобно, например, безопасное для его здоровья.

Наверное, так бы и было на практике, если бы источник электрической энергии всегда находился рядом с потребителем, а еще лучше – внутри него. Но ведь человек для того и освоил электричество, чтобы передавать энергию в нужную ему точку пространства. Поэтому источник электрической энергии может находиться на очень большом расстоянии от потребителя. Я думаю, немногие читатели смогут хотя бы приблизительно ответить, где физически находится электростанция, вырабатывающая энергию для компьютеров, с помощью которых они сейчас читают эту статью.

Из-за этого в системе электропитания появляется третий важный элемент – линия электропередач (ЛЭП), связывающая источник питания с потребителем энергии (Рисунок 5). И именно проблемы передачи энергии на расстояния – даже на 1 м – заставляют увеличивать напряжение в системе. Причем ограничения, из-за которых это приходится делать, хоть и базируются на законах природы, но имеют совершенно нефизическую природу.

Рисунок 5.

Система питания с ЛЭП.

Рассмотрим это на примере. Пусть у нас есть какое-нибудь оборудование, например, установленное на небольшом заводе, потребляющее мощность P = 100 кВт. И пусть существует электростанция необходимой мощности, но расположенная на расстоянии 100 км от этого предприятия (Рисунок 5). Рассмотрим два варианта системы электропитания. Пусть в первом варианте используется очень опасное для человека напряжение V = 100 кВ, при котором, ток I будет равен:

Во втором случае выберем безопасное напряжение V = 1 В, при котором ток будет равен:

Обратите внимание, что результат (мощность) в обоих случаях одинаков – энергия с нужной скоростью и в нужном количестве будет передаваться через ЛЭП длиной 100 км, и предприятие будет работать. Но будут ли эти две системы одинаковы по другим параметрам?

В простейшем случае, линия электропередач состоит из двух проводов, не имеющих электрического контакта друг с другом. А из курса физики известно, что, во-первых, любой проводник электрического тока обладает сопротивлением, а во-вторых, при протекании электрического тока по проводнику он нагревается. Нагрев проводника является результатом нежелательного преобразования электрической энергии в тепловую, то есть в линиях электропередач всегда будут потери. Мощность потерь в проводах ЛЭП P_ПОТ определяется законом Джоуля-Ленца:

где R_ПРОВ – общее сопротивление проводов.

С потерями в линии электропередачи придется смириться – они будут всегда 1) . Однако мы можем контролировать их величину путем выбора сопротивления проводов R_ПРОВ. Пусть мы будет терять в линии электропередачи до 10% передаваемой энергии. В этом случае максимальная мощность потерь в проводах ЛЭП P_ПОТ равна:

Определим из формулы (2), какое же максимальное сопротивление должны иметь провода ЛЭП. В первом случае (V = 100 кВ, I = 1 А):

Во втором случае (V = 1 В, I = 100 кА):

Видно, что сопротивление проводов отличается на 10 порядков (в десять миллиардов раз). Много это или мало? Пока ничего не понятно – для обычного человека микроом ничем не отличается килоома, поэтому давайте разбираться дальше.

Рисунок 6.

Геометрические размеры провода ЛЭП.

Электрический провод можно представить в виде цилиндра (если он круглого сечения) или параллелепипеда (если прямоугольного) длиной L и площадью поперечного сечения S (Рисунок 6). Электрическое сопротивление такого провода определяется по формуле:

где ρ – удельное сопротивление – электрическое сопротивление проводника, выполненного из этого материала, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 (измеряется Ом∙м).

То есть, сопротивление провода зависит от материала, из которого он изготовлен, а также его физических размеров. Из двух геометрических параметров (длины L и площади поперечного сечения S) мы может изменять только площадь поперечного сечения, потому что длина провода определяется расстоянием между источником и потребителем. В нашем случае электростанция находится на расстоянии 100 км от предприятия, поэтому общая длина двух проводов будет равна L = 100 + 100 = 200 км.

А из какого материала будем делать провода? При всем богатстве выбора, материалов с малым удельным сопротивлением в нашем мире не так уж и много. Наименьшее удельное сопротивление из всех металлов имеет серебро (Таблица 1). Затем идут медь, золото, алюминий и железо. Все остальные доступные металлы из-за высокого значения этого параметра малопригодны для использования в качестве проводников.

Однако кроме удельного сопротивления, каждый из металлов имеет и другие параметры, имеющие важное практическое значение. В первую очередь нас интересуют удельная масса и удельная стоимость. Мы видим, что серебро и золото являются самыми дорогими и тяжелыми металлами из данного списка. Это значит, что линия электропередачи из золота и серебра при том же самом сопротивлении должна получиться и дороже, и тяжелее, чем при использовании других металлов.

В качестве примера определим параметры «серебряной» линии электропередачи для первого варианта (V = 100 кВ, I = 1 А). Для этого из формулы (3) выразим необходимую площадь поперечного сечения S:

Для изготовления двух проводов такого сечения потребуется серебряный слиток объемом V:

Его масса m, будет равна:

И теперь можно определить стоимость металла С, необходимого для изготовления двух проводников ЛЭП:

Проделаем аналогичные операции для других вариантов и посмотрим, что в итоге получится (Таблица 2). Сразу обращаем внимание, что для передачи энергии лучше всего использовать алюминиевые провода. Конечно, дешевле всего было бы использовать железо, но для создания «железной» ЛЭП такой же пропускной способности потребуются в четыре раза увеличить сечение проводов, что приведет к увеличению их массы в 10 раз. Не самым лучшим вариантом для проводов линий электропередач является и медь. Да, медные провода будут иметь меньший диаметр, однако из-за высокой удельной массы меди их масса будет в два раза больше, чем алюминиевых, а это приведет к увеличению их стоимости в восемь раз.

Таким образом, медь и алюминий являются наиболее подходящими материалами для электрических проводов, а золото и серебро для создания путей протекания электрического тока используется только в случаях, когда не остается другого выхода, чаще всего – в электронике, например, при производстве микросхем.

Мощные системы электропитания строятся на основе алюминиевых проводов – в этом случае ЛЭП получаются легче и дешевле, чем при использовании других материалов. Медные провода используются, в основном, в последних сегментах ЛЭП – для создания сетей с низким напряжением (230/400 В) для так называемой «последней мили». В этом случае на выбор меди в качестве основного металла проводников 3) оказывают влияние ее другие характеристики: более высокая пластичность, простота соединений с другими металлами (например, медь, в отличие от алюминия, очень хорошо паяется) и другие. И, конечно же, медь является основным проводниковым материалом в электронике – в области, где ток величиной 1 А, является настолько большим, что требует специальных условий для его протекания.

Вторым важным выводом, вытекающим из результатов расчетов (Таблица 2), является то, что линию электропередач мощностью 100 кВт с напряжением 1 В не получится построить физически – из-за ультрамалого требуемого сопротивления проводов (1 мкОм) длиной 200 км цифры получаются астрономические. Например, из золота ее сделать не получится, даже если очень сильно захотеть – за всю историю человечества было добыто всего около 160 тысяч тонн этого металла, а для отливки двух проводов 1-вольтовой ЛЭП его потребуется почти 19 миллиардов тонн.

Чтобы наглядно представить себе грандиозность и нелепость ЛЭП с напряжением 1 В, определим диаметр проводников для самого лучшего – «серебряного» – варианта, имеющего наименьшее сечение. В данном случае, чтобы круглый проводник имел площадь поперечного сечения S = 3 180 м 2 , необходимо, чтобы его диаметр d был равен:

Приблизительно такую высоту имеет 20-этажный дом (Рисунок 7). А уменьшить диаметр проводников при столь низком напряжении нельзя – увеличение сопротивления приведет к увеличению потерь. Например, в ЛЭП с сопротивлением 10 кОм, прекрасно работающей при напряжении 100 кВ, при напряжении 1 В, даже если накоротко замкнуть ее концы, будет протекать ток, равный:

Это значит, что 100-киловольтовая ЛЭП от источника питания с напряжением 1 В сможет «забрать» мощность, равную всего:

То есть, линия электропередачи, через которую при напряжении 100 кВ можно спокойно передавать энергию со скоростью 100 кВт, при напряжении 1 В не сможет передать даже милливатта энергии.

Рисунок 7.

Сравнение сечения проводов для ЛЭП с напряжением 1 В и 100 кВ.

Поэтому чем больше расстояние, на которое нужно передать энергию, и чем больше мощность, тем выше напряжение будет в системе электропитания. Из-за этого любая электрическая энергосистема имеет очень четкую иерархическую структуру. Рассмотрим в качестве примера промышленную сеть переменного тока – ту, к которой подключены наши розетки (Рисунок 8). На электростанциях, генерирующих мощные энергетические потоки, напряжение увеличивается до величины, иногда превышающей 1 МВ. Электрическая энергия с таким напряжением с помощью высоковольтных ЛЭП передается на сотни километров к крупным потребителям, например, городам или большим предприятиям. В определенных местах – на трансформаторных подстанциях – это напряжение понижается, а потом, уже с помощью других ЛЭП, рассчитанных на меньшее напряжение, распределяется между группами потребителей с меньшей мощностью, расположенных относительно недалеко от подстанции. Потом с помощью других трансформаторных подстанций – еще меньшей мощности – оно понижается снова и опять распределяется с помощью линий электропередач. В конечном итоге, после нескольких преобразований, число которых завит от мощности и расстояния, напряжение понижается до величины 230 В и достигает наших розеток.

Рисунок 8.

Принцип построения промышленной сети переменного тока.

При дальнейшем уменьшении напряжения, по крайней мере, на уровне электропроводки здания, экономические вопросы и удобство пользования уже начинают вступать в противоречие с вопросами безопасности. Электрооборудование, как промышленное, так и бытовое, может иметь самую разную мощность. И напряжение 230 В, а точнее комбинация напряжений 230/400 В, присутствующая в трехфазной промышленной сети 4) , оказалась наиболее удобной и экономически выгодной для питания оборудования, потребляющего мощностью от долей ватт до нескольких сотен киловатт.

Рисунок 9.

Пример электрической сети учебного помещения с дополнительной безопасной сетью на 36…48 В.

Но это не значит, что дальше напряжение понижать нельзя. Если это необходимо, то создаются отдельные ЛЭП с напряжением и меньше 230 В. Например, в учебных классах для повышения уровня безопасности может быть создана отдельная питающая сеть с напряжением 36…48 В, от которой будут работать паяльники, лампы и другое учебное оборудование (Рисунок 9). Для питания телекоммуникационного оборудования также могут быть созданы отдельные линии питания постоянного тока с напряжением 48 В, в которые энергия будет поступать через специализированное выпрямительное устройство (Рисунок 10).

Рисунок 10.

Принцип построения системы питания телекоммуникационного оборудования.

Таким образом, выбор напряжения в электросети все-таки определится здравым смыслом, хоть для этого иногда и приходится идти на компромисс и ставить под угрозу человеческую жизнь. Но, как показывает практика, большинство бед, создаваемых электричеством, происходит не от самого электричества, а от глупости, невежества и лени людей, которые им пользуются. Грубое нарушение правил устройства и эксплуатации электроустановок, игнорирование элементарных правил защиты от поражения электрическим током – вот основные причины пожаров и гибели людей от электричества. Хотя следует заметить, что, по сравнению с оборудованием, использующим открытый огонь, электрическая техника намного безопасней.

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.

Рисунок 11.

Напряжения и частота тока в электрических розетках разных стран [1]. Источник: commons.wikimedia.org

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 5) . 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.

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 6) . 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 7) . 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.

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.

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.

Список источников

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.

Зачем нужно высокое напряжение?

Задумывались ли вы, зачем для передачи электроэнергии на большое расстояние нужно такое высокое напряжение, заставляющее строить высокие башни-опоры и гигантские изоляторы? Почему бы не передавать электричество низкого напряжения по сверхпрочным проводам, протянутым между скромными сооружениями или даже под землей? Тому есть причина.

Для заданной мощности электроэнергии, потребляемой конечными потребителями (нагрузка сети), сила тока в линиях электропередачи с ростом напряжения понижается. Уменьшение силы тока сокращает потери электроснабжения в линии электропередачи. Обратившись к формуле из школьного курса физики, вы поймете почему:

где Р — мощность в ваттах, Е — напряжение в вольтах, а / — сила тока в амперах. Из нее следует, что на данном уровне мощности сила тока обратно пропорциональна напряжению:

Потери электроснабжения (т. е. потери мощности) в линии электропередачи пропорциональны квадрату силы тока. Эти потери — мощности, которые не доходят до конечных потребителей; они уходят на нагрев проводов. Это соотношение описывается следующей формулой:

где Р — мощность в ваттах, I — сила тока в амперах, a R — сопротивление провода в омах. Конструкторы не могут изменить сопротивление провода или мощность нагрузки сети, но они могут довести до максимума напряжение, минимизируя таким образом «лишний» ток, который вынуждена нести линия передачи для обеспечения потребности сети.

Предположим, напряжение, подаваемое в сеть, повышается десятикратно, а потребительские нагрузки в сети постоянны. Рост напряжения уменьшает силу тока в десять раз, и в результате потери мощности сокращаются в(1/10)2, т. е. в сто раз! Разумеется, использовать повышающий трансформатор в одном месте проще и дешевле, чем протягивать на многие километры провода, тяжесть которых (без трансформатора) оказывалась бы в сто раз больше.

Вид высоковольтной линии переменного тока под напряжением, скажем, 500 000 вольт страшноват? Возможно. Но угрозу здоровью, исходящую от линий электропередачи (реальный уровень этой угрозы — вопрос спорный), на самом деле несут магнитные поля, генерируемые этими линиями. Сила этих колеблющихся полей прямо пропорциональна силе тока, а не напряжению. Если бы такая линия, проходящая по вашему пригороду, имела напряжение в 500 вольт, а не в 500 000, магнитные поля, окружающие ее, были бы гораздо интенсивнее и потенциальная угроза здоровью, соответственно, выше.

Почему в лэп высокое напряжение

Многие из нас, жителей крупных городов, часто сталкиваются с таким элементом городского пейзажа, как высоковольтные линии электропередач. Эти загадочные элементы индустриального мира несут в себе что-то необычное, производя впечатление своей мощью и ритмичностью геометрических переплетений.

1. Выработка (генерирование) электричества.
2. Преобразование и распределение энергии.
3. Передача энергии.
4. Обратное преобразование для последующего потребления или распределения.
5. Потребление электроэнергии.

Вода из водохранилища, уровень которого выше уровня реки, падает в сторону реки вниз по напорному водоводу, вращая своим потоком лопасти турбины. Вращение турбины приводит к возникновению тока в генераторе, и он выходит из электростанции.

Поскольку потребители электроэнергии находятся совсем не на территории электростанции, а на расстоянии от неё, логично было бы эту энергию до них передать. Чтобы это сделать, нам потребуется преобразовать энергию — напряжение, снимаемое с генераторов электростанции, является недостаточно высоким для передачи электричества на дальние расстояния, а ток — наоборот, достаточно высок, и энергия будет быстро теряться в линии большой протяжённости, расходуясь просто на нагрев проводов. Нам это не нужно, поэтому необходимо будет каким-то образом снизить ток. Чтобы при одинаковой мощности ток стал ниже, нужно сделать напряжение выше, что мы и делаем при помощи силовых трансформаторов. Такой трансформатор на нашей верхней схемке с ГЭС расположен справа, серого цвета, с рожками. А выглядит он где-то так:

Чем больше расстояние, на которое нужно передать электроэнергию, тем выше нашему трансформатору потребуется сделать напряжение. Но есть и обратная сторона медали — чем выше напряжение, тем дороже, крупнее и тяжелее становится оборудование для преобразования и передачи энергии. Компромиссным решением стало введение различных классов напряжений для разных расстояний передачи — в масштабах передачи на очень большие расстояния это ВЛ (воздушные линии) сверхвысокого напряжения (750 или 500 киловольт — между странами или в разные концы страны, 330 кВ — между городами и энергосистемами), на расстояния поменьше — ВЛ высокого напряжения (220, 150, 110 кВ — между городами, иногда внутри города), между районами города или из города в ближайшие сёла — среднее напряжение (35 кВ), внутри района — 20, 10 или 6 кВ, внутри квартала или дома — 0.4 кВ (380 В), внутри квартиры — 0.2 кВ (220 В).

Преобразованием энергии из одного класса напряжения в другой занимаются электрические подстанции, а распределением и коммутацией линий занимаются распределительные устройства (РУ) этих подстанций. Если распределительное устройство расположено на открытом воздухе, оно называется открытым распределительным устройством (ОРУ), а если в здании — закрытым (ЗРУ). Задача этих устройств — распределить линии разных классов напряжения между собой, произвести измерения их характеристик, их коммутацию и защиту. Например, подстанция может сделать из одной линии 330 кВ три линии по 110 кВ, или из двух линий 154 кВ — пять линий 35 кВ. При этом нет конкретного направления передачи энергии — если (для последнего случая) энергии на линиях 35 кВ недостаточно, она туда направляется с линий 154 кВ (преобразовавшись в 35 кВ), а если энергия в линии 35 кВ в избытке, то она отправляется на линию 154 кВ (с преобразованием 35 -> 154 кВ). Направление передачи при этом может меняться вплоть до нескольких раз в секунду. Вот так выглядит подстанция с ОРУ:

Кликните по фото, чтобы рассмотреть его поближе и найти по центру слева (правее ступенек) силовой трансформатор, вы уже знаете как он выглядит 🙂

Внутри этого огромного леса проводов, опор и прочих железяк есть довольно интересные приборчики, которые помогают сделать энергосистему чётко функционирующим организмом, способным контролировать и регулировать процесс распределения энергии. Давайте посмотрим на них поближе на примере простого ОРУ подстанции ДнепроГЭС-2. Увеличьте его фотографию, открыв в соседней вкладке — она нам дальше понадобится.

В уже знакомый нам силовой трансформатор заходят линии с электричеством, пришедшим прямо с генераторов. Его напряжение — 13.8 кВ (13800 В). После 220 В в вашей розетке эта цифра кажется огромной, но этого недостаточно для передачи всей мощности наших генераторов на нужное нам расстояние. Нам нужно получить 154 кВ, а это более, чем в 10 раз выше. Вот потому наши 13.8 кВ и заходят в силовой трансформатор — он поможет нам получить на выходе так нужные нам 154 кВ. Выполнив свой нелёгкий, но очень важный труд, трансформатор выпускает наружу уже высоковольтную линию, состоящую из трёх фаз — А, В и С. Напряжение между фазами — 154 кВ. Общая точка генераторов заземлена, так бывает не всегда, но в нашем случае всё именно так. Чтобы в линию и на трансформатор не попало напряжение выше требуемого (например, при попадании разряда молнии), сразу за выводами трансформатора установлены ограничители перенапряжения (ОПН), которые защищают линии от аварий в результате появления напряжения выше номинального. Дальше, для получения значения выходной мощности энергоблока нужно измерить ещё и ток в сети. Для этого линия заходит на измерительные трансформаторы тока. Напомню, что в цепи вольтметры подключаются параллельно, а амперметры — последовательно, поэтому трансформаторы напряжения имеют один ввод (включены параллельно), а трансформаторы тока — два, т.к. подключены последовательно. Стоит также отметить, что наш большой серый силовой трансформатор защищён от пожара системой автоматического пожаротушения — это розовая труба вокруг него, из которой выходят трубочки поменьше.

Теперь идём дальше и видим это:

Справа от наших трансформаторов тока расположены выключатели. Они слегка непохожи на выключатели у вас дома, но функцию они выполняют ту же самую — позволяют быстро отключить или включить ток в цепи. Поскольку напряжение у нас высокое, здесь в процессе коммутации возникает электрическая дуга (как в электроподжиге газовой плиты, яркая и горячая "молния"), которая может сжечь выключатель вместе с электродами. Поэтому внутри него есть устройство дугогашения. Бывают воздушные, элегазовые, масляные, маломасляные выключатели, но сейчас не это важно. А важно то, что в отличие от выключателя вашего светильника, этот выключатель своим внешним видом вообще никак не говорит о том, в каком он сейчас находится состоянии — выключен или включен. Посмотрите на него — разве можно понять, идёт ли сейчас ток дальше него? Нельзя, и эту печаль нужно как-то исправить. Для этого справа установлены большие и красивые серые разъединители, позволяющие уже при отсутствии напряжения в цепи сбросить остаточное напряжение, заземлить цепь и визуально показать, что цепь разорвана. Посмотрите внимательно на разъединители — они состоят из двух половинок. Когда разъединитель соединён и цепь включена, половинки соединены, как на нашем фото, вот так: —-. А когда он разъединён и цепь разорвана, половинки разойдутся вот так: | |. Разъединители не обладают никакими средствами дугогашения, и служат для визуального контроля над соединенем учатсков линии, коммутацию их можно осуществлять только при отсутствии напряжения! Иначе будет вот это:

После всего этого наше электричество выходит на шину — это фазные провода, к которым подключается несколько фаз с нескольких силовых трансформаторов. Это сделано для того, чтобы если один трансформатор находится в ремонте, то другой и дальше подаёт на линию электричество, и свет в окнах уютных домов города по-прежнему горит. Дальше с шины три фазы выходят на ЛЭП для передачи на расстояние. Такие три фазы далее будут называться цепью линии электропередач.

Теперь наша энергия переходит на стадию передачи. И тут мы поговорим о главном элементе этого звена — о воздушных ЛЭП и опорах для них. Опоры могут нести на себе как одну, так и сразу две трёхфазных цепи — такие опоры соответственно называются одноцепными и двухцепными. Вот одноцепная опора — несёт на себе три фазных провода:

А вот эта опора — двухцепная, несёт шесть фазных проводов:

По назначению опоры делятся на анкерные и промежуточные. Анкерные создают натяжение, позволяют делать поворот линии (угловые анкерные опоры), переводят линии через преграды (переходные анкерные опоры). Отличительная черта анкерных опор — гирлянда изоляторов параллельна земле. Промежуточные опоры просто удерживают провода над землёй, воспринимая нагрузку от веса провода и от ветровых нагрузок, не создавая натяжение проводов. Промежуточные опоры стоят между анкерными, их может быть много подряд, многие переходные опоры также являются промежуточными. На промежуточных опорах гирлянда изоляторов перпендикулярна поверхности земли. Вот анкерная опора, изоляторы параллельны земле:

А вот промежуточные опоры, изоляторы смотрят вниз:

У каждой линии есть свой уникальный номер, например, Л10, Л229, и т.д. Эти номера, а также порядковый номер опоры обычно наносятся на сами опоры (нумерация опор обычно идёт в сторону потребителя или понижающей подстанции). Изоляторы на опорах нужны для того, чтобы закрепить провода на траверсах и не допустить электрической связи фазных проводов с опорой. Чем больше изоляторов в гирлянде, тем выше напряжение, или тем сильнее загрязнён воздух в данной местности, или тем больший вес проводов приходится держать анкерной опоре. По количеству изоляторов удобно определять класс напряжения линии — если изолятор 1, то это линия 6 или 10 кВ, если их в гирлянде от 3 до 5, то это линия с напряжением 35 кВ, если более 5 изоляторов (до 10) — это 110 кВ, 8-12 изоляторов — 154 или 220 кВ. Начиная с 330 кВ провода в фазах расшепляются на два, чтобы не использовать один очень толстый и тяжёлый провод. Выглядит это так:

Так что если провод двойной, то это 330 кВ (за редким исключением — могут расщепляться и 154 кВ, если ток в линии очень большой). В линиях 500 кВ фазы расщеплены на 3 или 4 провода, а в линиях 750 кВ — на 5 проводов. Естественно, и сами опоры там массивнее и крупнее.

Теперь давайте рассмотрим строение опоры линии электропередач и сопутствующей ей электроарматуры. Вот она, опора (откройте это фото в новой вкладке чтобы дальше по нему ориентироваться):

Опоры бывают железобетонные и металлические, мы рассматриваем металлическую опору, несущую одну цепь 330 кВ. Сама опора стоит на фундаменте, зарытом в земле. Фазные провода прикреплены к траверсам опоры через гирлянды изоляторов. Изоляторы предотвращают электрический пробой с фазных проводов на опору, поэтому человек, прикоснувшийся к опоре внизу, не будет убит током от линии. Фазные провода между местами крепления к опоре на анкерных опорах (а мы рассматриваем именно такую — видите, изоляторы параллельны земле?) обходят траверсу по дуге, естественно, что эта дуга из проводов, называемая шлейфом, отдалена на безопасное расстояние от опоры и траверсы при помощи всё тех же изоляторов, в том числе вспомогательных, стоящих вертикально и удерживающих безопасный радиус провисания дуги провода — это поддерживающая гирлянда. На нижней правой траверсе нашей опоры нет такой поддерживающей гирлянды изоляторов, на остальных — есть. Сами изоляторы бывают стеклянные, фарфоровые и полимерные. Стеклянные — самые тяжёлые, на вид они прозрачные с зеленоватым оттенком:

Обратите внимание, что в некоторых местах стеклянная часть изолятора отсутствует — это свидетельство разрушения некоторых из них. Если в изоляторе появляется малейшая трещина, он сразу лопается и падает на землю, чтобы по образовавшейся пустоте в гирлянде можно было понять необходимость замены изолятора на новый. Фарфоровые изоляторы немного легче стеклянных, их цвет — тёмно-коричневый. Вот на этой опоре линии 35 кВ слева и по центру расположены фарфоровые изоляторы, а справа — стеклянные:

Полимерные изоляторы — самые лёгкие, они сделаны из материала, напоминающего мягкий пластик. В отличие от других видов изоляторов, полимерные изготавливаются в виде готовой собранной гирлянды на нужный класс напряжения, в то время как обычные изоляторы собираются в гирлянду, соединяясь друг с другом при помощи специальной системы креплений. При равном пути утечки полимерные изоляторы имеют не только меньшую массу, но и габаритные размеры — сама гирлянда существенно тоньше, а количество рёбер в гирлянде выше, чем для аналогичной сборной гирлянды из стеклянных или фарфоровых изоляторов. Вот так выглядят полимерные изоляторы на опоре линии 35 кВ:

А это — полимерные изоляторы на линии 154 кВ:

В местах крепления фазных проводов к изоляторам на некоторых опорах установлены металлические кольца, называемые защитными экранами — они способствуют равномерному распределению электрического поля для уменьшения коронного разряда, возникающего в этих местах, и снижают потери в сети на корону. Коронный разряд выглядит как слабое свечение, сопровождаемое треском — для ЛЭП это вредное явление, и его стараются подавлять как можно сильнее. Защитные экраны имеют разную форму, их много видов — бывают и в виде колец, и в виде полуколец, и в виде рогов. Вот, например, экраны-кольца:

На концах проводов недалеко от изоляторов часто расположены конструкции в виде гантелек — гасители вибрации. Это — колебательный контур, настроенный в противофазу высокочастотным колебаниям проводов, и снижающий их вибрацию, которая может разрушить крепёжную арматуру и сам провод в месте крепления. Вот как они выглядят поближе:

В самом верху любой высоковольтной опоры прикреплён тонкий провод, называемый грозотросом. Он всегда расположен выше всех фазных проводов, и если молния решит ударить в провода или в опору, она попадёт именно в грозотрос, и будет безопасно заземлена через опору в обход фазных проводов. Грозотрос может быть прикреплён к опоре через один изолятор, в некоторых случаях он сразу крепится напрямую к опоре, а точнее к стальному пруту, идущему по опоре в землю — заземлителю.

Теперь мы знаем назначение основных элементов опор ЛЭП. Некоторые из них, например, гасители вибрации или экраны, встречаются не на всех опорах, другие же, такие как траверсы, изоляторы и грозотрос — на всех без исключения, являясь неотъемлимой частью линии электропередач. Помимо обычных одно- и двухцепных опор бывают и специальные. Например, вот такие, несущие сразу три цепи, в данном случае это сделано, чтобы поменять две цепи местами:

Бывают также случаи, когда цепь необходимо отделить от основной магистрали, например, для ввода на подстанцию или для создания ещё одной линии, в то время как основная линия пойдёт дальше. Такой процесс называется отпайкой.

После того, как линия высокого напряжения прошла некоторый путь, она достигает конечной или промежуточной распределительной подстанции, из которой выходят уже другие линии, как правило, более низкого класса напряжения. Например, с электростанции вышла линия напряжением 750 кВ, и, пройдя значительную территорию страны, достигла одной из подстанций в каком-нибудь крупном городе. Из этой подстанции уже выходят несколько линий 330 кВ, и одна из них, пройдя из одного крупного города в другой, достигла подстанции, из которой вышло несколько линий напряжением, например, 154 кВ. В свою очередь, одна из линий 154 кВ, пройдя через весь город в другой его район, достигла подстанции, из которой выходят несколько линий 35 кВ. Одна из этих линий проходит по территории района города, доходит до районной подстанции и там преобразуется во множество распределительных линий напряжением 10 кВ. Каждая и этих линий идёт по кварталам района (под землёй, если это район высотных застроек, и по воздуху, если это частный сектор). В свою очередь наша линия 10 кВ уже в квартале назначения линия при помощи трансформаторной подстанции (ТП — если это квартал высотных застроек), или комплектной трансформаторной подстанции (КТП — если это частный сектор) преобразуется в линию 0.4 кВ (380 В). Эта трёхфазная сеть распределяется по этажам домов или по домам в частном секторе — по одной фазе в каждый дом, фазы чередуются последовательно. Ниже приведена схема, на которой условно поясняется, как распределяются линии разных классов напряжения на пути от электростанции к конечным потребителям. Схема увеличивается по клику.

Обратите внимание, что в реальности на подстанцию приходит не одна линия более высокого напряжения, а несколько, причём вся энергосистема зависит не от одной электростанции, а сразу от нескольких, и, таким образом, является надёжной — в случае выхода из строя одной из линий или даже целой электростанции, энергоснабжение потребителей не прекратится.

Давайте рассмотрим крайнее, низковольтное звено энергосистемы. Оно состоит из распределительных линий напряжением 10 или 6 кВ, из комплектных и блочных трансформаторных подстанций, а также из линий 0.4 кВ, идущих непосредственно к потребителям в виде трёхфазной сети напряжением 380 В или однофазной 220 В. Познакомимся поближе с опорами этих классов напряжений. Вот так выглядит одноцепная линия 6 кВ:

Обратите внимание, что на низковольтных линиях используются изоляторы другого типа, отличающиеся от тех, что применяются на линиях более высокогонапряжения. Здесь мы видим не подвесные изоляторы, из которых складывается гирлянда, а штыревые изоляторы, которые накручиваются на стальные штыри, приклеплённые к траверсам железобетонных опор. Эти изоляторы являются одинарными, и лишь на анкерных опорах используются подвесные изоляторы, по 1-2 штуки в гирлянде. Бывают и двухцепные линии, хотя и встречаются они реже одноцепных:

Если распределительная линия идёт к жилому району с многоэтажками, она, как правило, уходит под землю вот таким образом, и из воздушной превращается в кабельную:

Кстати, на этой опоре видны разрядники (элементы в виде цилиндриков сбоку от крайних изоляторов и снизу верхних) — это устройства, позволяющие при перенапряжении, вызванном, например, попаданием молнии в фазные провода, сразу же заземлить избыточный ток, предотвращая повреждение оборудования, расположенного дальше по линии. Разрядники и ограничители перенапряжения (ОПН) устанавливаются повсеместно на участках присоединения линии к подстанции, в местах перехода из воздушной линии в кабельную или наоборот, и в других важных точках электрической сети. Итак, линия ушла под землю, и зайдёт уже возле жилых домов на трансформаторную подстанцию, где будет преобразована в одну или множество трёхфазных линий напряжением 380 В. Далее каждая из фаз будет подана по очереди в каждую квартиру дома вместе с общим проводом — нейтралью, или "нулём". Так получается однофазная сеть напряжением 220 В, повсеместно применяемая в быту.
Если же линия 10 или 6 кВ идёт в частный сектор, она обычно на всём протяжении проходит по воздуху, и заходит на комплектную трансформаторную подстанцию (КТП), которая выглядит так:

Далее, опять же по воздуху, по всем улицам квартала или посёлка, обслуживаемого данной подстанцией, проходит полученная на выходе КТП линия 0.4 кВ (380 В), состоящая из трёх фаз и одной общей точки — нейтрали. В каждый дом заходит два провода — нейтраль и одна из фаз, причём каждая фаза чередуется между домами для равномерного распределения нагрузки трёхфазной сети. В результате в каждом доме есть уже привычные нам 220 В — бытовая однофазная электрическая сеть. И уже на этом этапе наша электроэнергия наконец достигает своей цели — электроприборов в наших домах и квартирах, дающих свет, тепло и комфорт для каждого из нас.

Пройдя долгий и нелёгкий путь от электростанции до вашей розетки, электричество преодолело сотни, а то и тысячи километров, множество раз преобразовалось, прошло тысячи единиц различного оборудования, от турбогенератора электростанции до трансформаторной подстанции вашего квартала — выключатели, разъединители, силовые и измерительные трансформаторы, разрядники, шины подстанций, распределительные устройства, и тысячи разнообразных электроопор. Сложная, замкнутая и переплетённая энергосистема обеспечивает надёжное функционирование всего этого электрического организма, каждый её компонент оберегает его от повреждений и сбоев, чтобы бесперебойно доставить в каждый дом, к каждому заводу, фабрике и предприятию так необходимое в наше время электричество. Изучив основные компоненты энергосистемы и осознав важность и функциональное назначение каждого из них, теперь мы по-настоящему понимаем, насколько сложным, но увлекательным и разнообразным является мир электрических сетей.

Сегодня вы стали ближе к постоянно развивающемуся и обретающему всё большую важность миру электроэнергетики, и я надеюсь, что это путешествие было для вас интересным и полезным, и что теперь, оглядываясь по сторонам в суете повседневной жизни, вы станете узнавать вокруг много нового, в том числе того, о чём вы прочли в этом рассказе. Теперь ЛЭП для вас — это не просто железные столбы с проводами, а нечто большее, о чём вы знаете лучше многих других. Спасибо за то, что были с нами, и до скорых встреч в новых рассказах, которые будут посвящены некоторым деталям энергосистемы города Запорожья!

Продолжение серии рассказов об электроэнергетике — подробное описание переходов ЛЭП 154 кВ через Днепр в Запорожье — "Три Мачты", можно прочитать здесь.