Читать онлайн Виктор Барановский, Евгений Банников - Электричество дома и на даче

Источниками электроэнергии являются электростанции, которые способны преобразовывать разные виды энергии в электрическую. По типам используемой энергии электростанции подразделяют на тепловые, атомные и гидроэлектростанции.

В тепловых электростанциях сжигаются уголь, нефть или природный газ. Получаемое при этом тепло превращает находящуюся в котлах воду в пар, который, в свою очередь, приводит во вращение роторы генераторов. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую.

На атомных электростанциях процесс преобразования энергии пара в механическую, а затем в электрическую энергию аналогичен. Отличие лишь в том, что на атомных станциях топливом служат радиоактивные элементы, выделяющие тепло в ходе реакции распада.

На гидроэлектростанциях в электрическую энергию превращается энергия движущейся воды.

Существуют также ветряные и гелиоэлектростанции, геотермальные, приливные и др. (в электрическую энергию преобразуются движущиеся потоки воздуха, солнечное тепло и тепло подземных вод либо энергия морских приливов и отливов).

Тепловые электростанции подразделяют на конденсационные и теплофикационные.

На конденсационных электростанциях тепловая энергия полностью преобразуется в электрическую.

На теплофикационных электростанциях (их еще называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ)) тепловая энергия превращается в электрическую только частично, а в основном расходуется на снабжение предприятий и жилых домов паром и горячей водой. ТЭЦ сооружаются вблизи потребителей тепловой энергии. Конденсационные паротурбинные электростанции, как правило, строят у места добычи угля, торфа или горючих сланцев.

При строительстве гидроэлектростанций параллельно решаются задачи улучшения судоходства рек, орошения засушливых земель, водоснабжения и др.

В районах, где нет запасов топлива и рек с достаточными гидроэнергетическими ресурсами, вполне целесообразно сооружать атомные электростанции (АЭС). АЭС работают на ядерном топливе, которое потребляют в незначительном количестве.

Выработанная на станциях электроэнергия передается потребителям по линиям высокого напряжения (110 кВ и выше) через повышающие трансформаторные подстанции.

Для рационального распределения нагрузки между электростанциями, эффективного использования их мощностей, повышения надежности снабжения потребителей и отпуска им электрической энергии с оптимальными показателями по частоте и напряжению практикуется параллельная работа электростанций на общую электрическую сеть региональной энергетической системы, в состав которой входят электростанции, линии электропередачи, сетевые трансформаторные подстанции и тепловые сети, связанные общим режимом производства и распределения электрической и тепловой энергии. Многие такие системы объединяются в общую электрическую сеть и образуют крупные энергосистемы республик, краев и т. д.

Электрические сети служат для передачи и распределения электрической энергии от электростанций к потребителю и состоят из распределительных устройств (РУ) и воздушных или кабельных линий различного напряжения. Центром питания (ЦП) является распределительное устройство генераторного напряжения электростанции или РУ вторичного напряжения понижающей подстанции энергосистемы данного района.

Различают электрические сети постоянного и переменного тока. К сетям постоянного тока относятся сети электрифицированных железных дорог, метрополитена, трамвая, троллейбуса, некоторые сети химических, металлургических и других предприятий. Снабжение всех остальных объектов промышленности, сельского хозяйства, коммунального и бытового назначения ведется трехфазным переменным током частотой 50 Гц.

Электрическую энергию напряжением 6000, 10 000, 20 000 В вырабатывают турбодефис и гидрогенераторы. Передавать на большие расстояния электрическую энергию такого напряжения экономически нецелесообразно из-за значительных потерь. Поэтому на повышающих трансформаторных подстанциях, сооружаемых при электростанциях, ее повышают до 110, 220 и 500 кВ, а перед поступлением к потребителям на понижающих трансформаторных подстанциях понижают до 35, 10 и 6 кВ.

Снабжение электроэнергией промышленных предприятий и городов производится через РУ и подстанции, максимально приближенные к потребителям.

РУ служит для приема и распределения электрической энергии и содержит коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, вспомогательные устройства (компрессорные, аккумуляторные и др.), устройства защиты, автоматики, измерительные приборы.

РУ бывают открытыми (ОРУ) (основное оборудование расположено на открытом воздухе) и закрытыми (ЭРУ) (оборудование располагают в помещении).

Электроустановка, служащая для преобразования и распределения электрической энергии, называется подстанцией и состоит из трансформаторов или других преобразователей энергии, РУ, устройств управления и вспомогательных сооружений. В зависимости от того, преобладают на ней трансформаторы или другие преобразователи энергии, подстанции называют трансформаторными (ТП) или преобразовательными.

Устройство, не входящее в состав подстанции и предназначенное для приема и распределения электрической энергии на одном напряжении без преобразования и трансформации, называют распределительным пунктом (РП).

Качество электрической энергии характеризуется постоянством частоты и стабильностью напряжения в пределах установленных норм. Частота задается электростанциями для всей энергосистемы в целом.

В зависимости от конфигурации сети уровень напряжения изменяется по мере приближения к потребителю, условий загрузки оборудования и расхода электрической энергии. Напряжения электросетей и электрооборудования стандартизованы.

В «Истории физики» Ф. Розенбергера 1890 года издания написано: «человек непосредственно слышит, говорит и осязает на самых далеких расстояниях, безошибочно развивает на этих расстояниях большие силы и производит тяжелые работы… электричество конкурирует со столь родственным ему светом и дает человеку основания надеяться, что он, в конце концов, может приблизиться к земному вездесущию». Эта мысль была сформулирована, когда механизацию представляли паровые машины, не было радио и телевидения, рентгеновских лучей. Тем не менее, дальнейший научно-технический прогресс связывали с электричеством, хотя многие уже тогда понимали, что абсолютных благ в природе не бывает и электричество – не исключение из этого правила.

Первым аргумент о вреде электричества в конкурентной борьбе за рынок сбыта этого самого электричества использовал Томас Альва Эдисон, который изобрел и сконструировал лампу накаливания, цоколи и патроны для лампочек, штепсельные розетки, выключатели, распределительные коробки, плавкие предохранители и рубильники. Он решил электрифицировать Нью-Йорк с помощью одной станции вместо установки динамо-машин с механическим приводом в каждом доме. В виде опыта центральную станцию сначала построили для одного небольшого района города: она давала постоянный ток напряжением 200 В для тысяч лампочек, обеспечивала энергией десятки пассажирских лифтов, сотни подъемников в домах.

Однако теория не воплощается в практику легко. Выяснилось, что передача тока при таком напряжении требует большого сечения кабелей и, стало быть, много меди для проводов, а потери в них были заметными. Из этого следовало, что в крупном городе нужно строить несколько станций, а городская земля стоит дорого, подвоз топлива к каждой станции стоит еще дороже и т. д. Тогда агенты Д. Вестингауза, который искал приложения миллионам долларов, полученным после изобретения воздушного тормоза для железнодорожных составов, скупили все американские патенты, связанные с переменным током, и Вестингауз начал строить большие электростанции за городом на дешевой земле, подавать электричество по высоковольтным линиям и, соответственно, продавать электроэнергию дешевле, чем это делал Эдисон.

В результате Эдисон оказался в очень сложном положении, так как собственных патентов на переменный ток у него не было. Тогда он заявил, что подавать в городские подземные кабели переменный ток – это все равно, что заливать под жилье нитроглицерин. Переменный ток подобен горной реке, низвергающейся в пропасть и сметающей на своем пути все живое, и вообще противен божественной природе человека. В последнем, кстати, Эдисон был прав, если иметь в виду ток достаточной силы.

В коридорах власти у Эдисона друзей было предостаточно, так что он без труда внес в сенат Вирджинии проект закона о запрещении переменного тока напряжением выше 200 В на территории этого штата, являвшегося оплотом рабовладельцев.

Эдисон произнес страстную речь и почти убедил вирджинских законодателей запретить переменный ток, но на заседании сената выступил нанятый Вестингаузом капитан Гарден, ветеран Гражданской войны, любимец генерала Ли, командующего южан. Кроме того, сенат заседал в столице штата – Ричмонде, где капитана знали и уважали. Гарден говорил так же страстно, как Эдисон, а завершил речь словами: «Заверяю вас, джентльмены, что даже ядра пушек северян, которые мы ни во что не ставили, куда опаснее переменного тока!». Этот аргумент провалил законопроект Эдисона.

Любопытная подробность: провода постоянного тока эдисоновских станций собирали на себя пыль, которая пачкала все кругом, а провода, по которым шел переменный ток, не имели этой особенности. Однако Эдисон не сдавался. Он отправил по стране человека, который с помощью переносного трансформатора убивал бродячих кошек и собак, демонстрируя смертельную опасность переменного тока. В результате переменным током заинтересовалось федеральное правительство, которое переманило к себе агента Эдисона, попросив установить в нью-йоркской тюрьме Синг-Синг трансформатор мощностью побольше, чтобы хватало для убийства человека. Испытания прошли успешно, и законодательное собрание штата Нью-Йорк приняло закон о замене смертной казни через повешение умерщвлением на электрическом стуле.

Разговоры о вредном воздействии электромагнитных полей (ЭМП) начались в конце 20-х годов, когда появилась техника, работающая на сравнительно сильных токах в диапазоне высоких частот (ВЧ). А после войны всерьез занялись изучением биологического воздействия радаров, ВЧ-, УВЧ– и СВЧ-приборов. Все внимание было направлено на тепловое воздействие ультрадефис и сверхвысоких частот. Тепловая модель воздействия исходила из возможности недопустимого перегрева человеческого организма или отдельных органов в зоне действия ЭМП (эффект «человека в микроволновой печи»).

Если говорить о сравнительно низких частотах (от 50 Гц до сотен кГц), то общепринятая точка зрения была такова: плотность тока, наведенного в биологических тканях переменными магнитным и электрическим полями, должна быть существенно ниже плотности биотоков, текущих в живых тканях. Перегрев (как при СВЧ) был исключен. Все остальные эффекты, которые время от времени наблюдались, относили к артефактам – процессам, иногда возникающим при исследовании организма вследствие воздействия или обработки и в норме не свойственным ему.

Для возможного биологического действия постоянного ЭМП делали послабление и допускали, что постоянное электрическое поле оказывает какое-то действие на живые клетки, но напрочь отказывали в этом постоянному магнитному полю. Это аргументировали тем, что энергия взаимодействия магнитного поля с биологическими молекулами на несколько порядков меньше энергии теплового движения молекул.