Разобраться в проводах и не «сдвинуться по фазе»
Все мы привыкли к наличию электроэнергии в наших домах, и даже самый отъявленный гуманитарий знает, что ток в розетке переменный, частота у него 50 герц, а напряжение 220 вольт – можно считать это одним из самых больших достижений системы среднего образования.
А вот те, кто любит путешествовать или делает по служебной необходимости, знают, что есть страны, в которых используется ток с частотой 60 герц – в частности, США.
https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/2292344/2292344_600.jpg
Имеется даже более удивительный случай – Япония, в которой половина страны живет с частотой электротока в 50 герц, половина – с частотой 60 герц.
Так уж сложилось исторически, а в наше время объединение, синхронизация энергосистемы страны с таким количеством населения и с такой развитой промышленностью стоит настолько огромных денег, что желающих их потратить не находится. Объявили такое удивительное разделение «национальной традицией», и живут спокойно, удивляя только туристов.
Неудачник Никола Тесла и неизвестный триумф Доливо-Добровольского
Но, несмотря на такие вот отличия с частотой, еще с какими-то параметрами, есть одно правило, единое для всех, от Арктики до Антарктики – для генерации и передачи энергии повсеместно используется система трёхфазного переменного тока – только так, и никак иначе.
Мы знаем, что в каждом правиле имеются исключения, и только в случае трехфазного тока их нет: страна может быть большой или маленькой, мирной или воюющей, входящей в какие-то экономические союзы или совершенно нейтральной, у власти могут стоять капиталисты, коммунисты или анархисты – ток все равно трехфазный.
Это – наиболее рационально, максимально выгодно и с точки зрения энерготехники, и с точки зрения экономической целесообразности.
А всегда ли электроэнергию передавали в таком виде?
Нет, далеко не всегда, не сразу. На заре становления электроэнергетики разные учёные и специалисты предлагали свои системы передачи тока, экспериментальным путем пытаясь выбрать оптимальную. Существовали даже системы, состоящие из шести фаз, в которых напряжения и токи были сдвинуты относительно друг друга на 60 градусов.
Как нетрудно понять, эта система избыточна – целых шесть проводов, и на каждый – свой комплект коммутационной аппаратуры. В общем, по количеству необходимого материала и оборудования невыгодно.
Постепенно системы электроснабжения упрощались и пришли к логическому финалу – двухфазной системе передачи, предложенной в 1888 году Никола Тесла. Эта схема довольно проста. Как понятно из названия, для передачи энергии используется всего два провода… хотя нет, на самом деле обычно применяли четыре провода – по два в каждую фазу, для увеличения сечения проводников.
Фазы напряжения и тока были сдвинуты в каждом проводнике данной схемы не на 180 градусов (то есть полностью в противофазу), как было бы логично предположить, а всего на 90.
Сдвиг фаз
Противофаза была бы только вредна: в какой-то момент в обоих проводниках системы могло вообще не оказаться напряжения, пусть и на короткое время. Стоит помнить о том, что электроэнергия передавалась не только для того, чтобы обеспечить свечение осветительных ламп – прежде всего она требовалась для обеспечения работы различных электродвигателей.
Представим себе на минутку, что вращающийся электромотор вдруг на долю секунды остался без напряжения, а потом снова запустился. Привод, который вращается этим мотором, или просто скорость снизит, или остановится-дернется, чтобы тут же дернуться-запуститься снова – для обоих механизмов это станет кратчайшим путем к серьезной аварии.
Двухфазная система была всем хороша: простые схемы электроснабжения, очень удобные для анализа и разработки, а также, разумеется, и для монтажа. Но самое главное, что такая система обеспечивала очень плавный и мягкий пуск электродвигателей, что для электротехники конца 19 – начала 20 века было крайне важно.
Теория электроснабжения тогда была, можно сказать, в зачаточном состоянии, и подобная система позволяла реализовывать на том технологическом уровне вполне приемлемые характеристики генераторов, моторов и систем передачи электроэнергии.
Система была успешно внедрена и активно развивалась на рубеже 20-го века в США. Это было безусловной победой Теслы над всеми, кто отстаивал целесообразность использования постоянного тока, и именно об этом так любят рассказывать нам все те, кто призывает считать сербского инженера самым выдающимся специалистом в электроэнергетике.
Десятки книг и фильмов, сотни и тысячи статей – Никола Тесла и через много лет после своей смерти остается «медийным персонажем». Реальность, однако, куда как более сурова: в то же время по другую сторону Атлантического океана в той же отрасли энергетики жил и работал тот, по сравнению с которым Тесла оказался всего лишь неудачником.
Увы, гениальный изобретатель Михаил Осипович Доливо-Добровольский оказался не нужен России, своей Родине. В 1881 году его, тогда двадцатилетнего студента Рижского политехнического института, «за участие в антиправительственной агитации» отчислили, причем с «волчьим билетом» — без права поступления в любой другой вуз Российской империи.
И Михаил Осипович вынужден был уехать в Германию, где поступил в Дармштадское высшее техническое училище, закончил его и остался в своей альма-матер на преподавательской работе. Но однообразная работа на кафедре нашему герою быстро надоела, и М.О. Доливо-Добровольский ушёл в фирму AEG (уверен, многие и сейчас знают эту марку) по приглашению ее руководства.
В этой фирме он дослужился в 1909 году до должности директора, в каковой проработал до 1919 года, до самой своей смерти.
Уже трудясь в фирме AEG, Михаил Осипович подробно ознакомился с разработками Никола Тесла в области двухфазной системы передачи энергии и творчески ее переработал, добавив к ней ещё одну фазу и сдвинув векторы напряжения и тока в фазах на 120 градусов.
Оказалось, что такая схема более совершенна, чем двухфазная, несмотря на появление третьего, «лишнего» провода – она эффективнее в плане механической работы, экономичнее в энергетическом смысле и удобнее в реализации.
Три фазы
А предложенная в 1889 году Доливо-Добровольским конструкция трёхфазного асинхронного двигателя стала классической и до сих пор повсеместно используется практически без изменений. Также гению Доливо-Добровольского мы обязаны появлению трёхфазного трансформатора.
Стоит ли говорить, что и эта конструкция тоже до сих пор везде применяется? Три важнейших изобретения Михаила Осиповича Доливо-Добровольского обеспечили победу трехфазного переменного электрического тока – система передачи, асинхронный электродвигатель и трехфазный трансформатор.
Именно на них «стоит» вся современная электроэнергетика, а досужие журналисты и сценаристы без устали продолжают рассказывать нам о невероятной гениальности Никола Теслы. Удивительное – рядом.
Международная электро-техническая выставка во Франкфурте-на-Майне (Германия, 1981). С правой стороны виден искусственный водопад
Первая передача электроэнергии по системе трехфазного переменного тока частотой 50 Гц состоялась в 1891 году в Германии. В городке Лауфен на реке Неккар была построена гидроэлектростанция, передававшая выработанную энергию на гигантское по тем временам расстояние в 170 км в город Франкфурт-на-Майне, где на международной электротехнической выставке был устроен крупный искусственный водопад.
Вода в нем подавалась насосом, приводившимся в движение асинхронным электродвигателем мощностью 100 лошадиных сил, который получал питание от той самой ГЭС. Всё оборудование системы электроснабжения: генераторы, повышающие и понижающие трансформаторы, линия электропередачи и двигатель, были разработаны М.О. Доливо-Добровольским.
Выставка имела небывалый по тем временам успех, специалисты приезжали в Лауфен и после того, как она официально закрылась – специально для того, чтобы детально ознакомиться со всеми изобретениями Доливо-Добровольского.
Пусть и не официально, но именно эта дата считается стартом всеобщей электрификации, которая стала набирать темп в одной стране за другой.
Видные посетители выставки у здания ГЭС
Трехфазный генератор и карта прокладки кабеля от города Лауфен до Франкфурта-на-Майне
Искусственный водопад на Международной электро-технической выставке
М.О. Доливо-Добровольский, несмотря на то, что жил и работал в Германии, оставался русским по рождению и по духу, и всегда мечтал вернуться на Родину, несмотря на то, что она достаточно жестко с ним обошлась.
В 1899 году открылся электромеханической факультет Санкт-Петербургского политехнического института, и Михаилу Осиповичу предложили место его первого декана. Увы, он не смог принять это предложение, поскольку работал по контракту с AEG.
После начала Первой мировой войны Доливо-Добровольский, как имевший российское подданство, уехал в Швейцарию.
После окончания войны Михаил Осипович вернулся в Германию вновь, но тут его подкосила давняя болезнь сердца. Увы, гениальный русский ученый-энергетик совсем немного не дожил до 58 лет. На наш взгляд, огромные достижения этого человека, его вклад в наступление «электрической эры», его биография более чем достойны для того, чтобы стать основой хороших книг и фильмов.
Надеемся, что настанет время, когда наша творческая интеллигенция вспомнит незаслуженно забытое имя этого ученого и практика.
Сколько проводов нужны трехфазному току
Но вернемся в наши дни. С важнейшими особенностями линий электропередачи мы уже познакомились в предыдущих статьях этого цикла. Мы уже выяснили, что электроэнергия передаётся потребителям под очень высоким напряжением с использованием системы трёхфазного переменного тока.
А теперь поговорим о частностях, которые могут пригодиться каждому из нас в повседневной жизни для того, чтобы на собственном опыте не убеждаться в верности старинного присловья электриков: «Постоянный ток отличается от переменного тем, что бьет постоянно, а переменный нет-нет, да как … ударит».
Теоретически мы уже выяснили, что воздушные линии разных классов напряжения должны использовать по три провода и отличаться друг от друга только количеством изоляторов, с помощью которых провода подвешиваются на опорах, у этих линий отличается радикально. Но это только в теории – достаточно присмотреться к любой линии электропередач, чтобы невооруженным глазом убедиться — проводов на них может быть не три, а меньше или больше!
Давайте разберемся, в чем тут проблема, от чего зависит количество проводов линии, проложенных по опорам?
Самое очевидное — от того, какой носитель используется для передачи энергии. Если провод висит на опорах всего один, то это, скорее всего, не провод, а кабель. Мы уже выясняли, что кабели для прокладки воздушных линий вполне себе применяются.
Тут, правда, есть ограничения. Поскольку кабель содержит сразу три или даже четыре токоведущих жилы, да к тому же покрытые «индивидуальной» и общей изоляцией, то он тяжелее обычных проводов такого же сечения, проложенных по изоляторам.
Отсюда вывод: кабель для прокладки по опорам имеет ограничения по сечению, и, соответственно, по мощности, которую он может передать. Но, тем не менее, кабели для ВЛ находят применение, поскольку они менее подвержены ветровому и прочим внешним воздействиям. Кабель по своей конструкции более жесткий, чем провода ВЛ.
К тому же отдельные жилы в нем собраны вместе и изолированы друг от друга, что исключает схлёстывание от воздействия ветра или КЗ от падения на линию посторонних предметов вроде веток деревьев или спортивных кедов расшалившихся школяров. В последнее время стало все чаще устраивают именно кабельные ВЛ для питания уличного освещения.
Вновь монтируемые линии освещения обычно оснащаются светодиодными светильниками, мощность которых очень невелика по сравнению с ранее использовавшимися ртутными или натриевыми лампами. Не требуется слишком большая мощность – значит, не требуется и большое сечение в жилах кабеля, не будет слишком большим вес кабеля, не будет слишком велика его цена.
Использование кабеля весьма существенно упрощает монтаж: для подвески кабеля применяются простые кронштейны без изоляторов, к тому же кронштейн нужен на каждой опоре всего один, а не четыре, как для обычной ВЛ с неизолированными проводами.
Да, для подключения светильников к кабелю нужны специальные контактные системы, при монтаже проникающие внутрь жил кабеля, но таких систем сейчас выпускается большое количество разных конструкций.
А если ВЛ проложена не кабелем, а неизолированными проводами, то сколько проводов потребуется для такой линии? Простейшая логика подсказывает: как минимум три, поскольку по ВЛ передается переменный трехфазный ток. То есть каждая фаза пойдет по своему проводу. И это верно, но только для высоковольтных линий. Распределительные сети, подающие энергию к жилым домам, имеют четыре провода, убедиться в этом можно, просто подняв голову, возвращаясь с работы.
Рассматривать носки ботинок далеко не всегда так интересно, как порой кажется, проверено на себе! Так зачем нужен ещё один провод, какую такую функцию он выполняет, ведь фазы всего три?
Дело в том, что по четвертому проводу ничего не передается, это «нейтраль», или, говоря правильнее, «нуль». В нормальном режиме работы системы электроснабжения в данном проводнике вообще нет напряжения. Больше того, в сетях 380 В «нуль» ещё и периодически заземляется: через определенное количество пролетов на опорах устраивается отдельный спуск проводника, который соединяет нулевой провод линии со стальным штырём, забитым в землю – электрики называют это «повторным заземлением».
Периодичность монтажа повторного заземления вдоль ЛЭП устанавливается при проектировании ВЛ, в обязательном порядке оно монтируется у ввода к конечному потребителю и у выхода линии 380 В с понижающей подстанции. Так для чего нужен дополнительный провод, тем более что он не используется для передачи энергии?..
***
Окончание следует.
Источник.
.
