Номинальное напряжение

Номинальное напряжение – действующее его значение в рассматриваемой цепи.

Благодарности

Сердечно благодарим Джеймса Кинга за рассказ об истории развития гальванических источников напряжения.

Стандартные номиналы

В РФ использовалось сетевое напряжение со средним действующим значением 220 В и частотой 50 Гц. Сказанное означает, что амплитуда напряжения переменная, но допустимо заменить постоянным, равным 220 В при расчётах потребляемой мощности и прочих параметров.

В быту распространены лампочки на 12 В переменного напряжения, которые по правилам (ГОСТ 50571.11) применяются на территории ванных комнат и санузлов. А постоянные 12 В царят среди автомобильных аккумуляторов. Заметим, что батарею с таким номиналом уже пора отдать на свалку. Рабочий аккумулятор заряжается до 14 В.

В литературе часто приходится сталкиваться с понятиями линейного и фазного напряжений. Это номиналы. Первый измеряется между двумя фазами, второй между любой фазой и нейтралью. Для сети 220 В цифры, соответственно, равны 380 и 220 В. Это средние действующие значения, амплитуда в корень из двух раз больше.

Согласно новым стандартам страна переходит сейчас на напряжение 230 В. Ни 380 В, ни 220 В в розетке больше обнаружить нельзя. Это противозаконно, согласно ГОСТу, поставщик отвечает за качество поставляемой энергии. Шаги предприняты правительством, чтобы бесперебойно работала импортная техника. В 10-х годах XXI века стали запрещать использование лампочек накала. Повышение напряжения сети лишь на 10% снижает срок их службы примерно вдвое. Нарушители, втихую использовавшие приборы, теперь платить станут чаще.

Переходите на светодиодное освещение! Одновременно плата за свет снизится вдесятеро.

Обозначенная спецификация

История вопроса

Эталон напряжения

14 июля 1729 года произошло великое событие: Стивен Грей догадался проводить статическое электричество по шёлковым нитям и прочим материалам, создав первую цепь. До внедрения электричества предприятиям приходилось располагаться прямо на берегах рек. Что неудобно. Гораздо проще строить заводы вблизи ресурсов.

Сложно вести разработку природных ресурсов вдали от источников энергии. Людская сила не заменит электричество. Первой попыткой передать энергию на расстояние стал коммерческий телеграф в 1837 году длиной линии 20 км. Этим доказано, что возможно передавать энергию на дальние расстояния и выполнять там при помощи неё работу. Пятью годами ранее сэр Джозеф Генри демонстрировал устройство с бухтой провода в милю. Электромагнит поднимал весьма солидный даже по нынешнему времени груз.

Все совершалось при помощи вольтова столба – набора из кружков меди и цинка, разделённых слоем мокрой ткани, пропитанной солёной водой. Первая серьёзная конструкция появилась в 1836 году. Она стала первым эталоном номинального напряжения, измерявшего прочие источники, к примеру, термоэлектрические генераторы. Джон Фредерик Дэниэл пытался решить затруднение выделения газа (водорода) гальваническим источником при работе. Это привело его к идее использования двух электролитов вместо одного.

Дэниэл основывался на докладе профессора Дэви за 1801 год о химической природе вольтова столба, как результата оксидирования металла. Позднее тема затрагивалась Беккерелем. Дэниэл решил проверить электрохимические опыты Фарадея и искал подходящий источник. Как результат, появился новый тип гальванического элемента:

• Исходная конструкция:

1. В центре чаши находился цинковый стержень, окружённый бычьим пищеводом. Внутрь заливался слабый раствор цинковой кислоты.
2. Вкруг пищевода шёл полый медный цилиндр диаметром 3,5 дюйма, заполненный слабым раствором сульфата меди. Цилиндр покрывался перфорированным диском, сквозь который в центре проходили пищевод быка и цинковый стержень.
3. На нижней грани медного диска находились крупные кристаллы сульфата меди, не дававшие раствору выйти из насыщения.

• Реконструкция (см. рис.):

1. В центре чаши находится медный полый цилиндр (см. рис.), погруженный в раствор сульфата меди.
2. Конструкция умещается внутри мембраны из пищевода быка.
3. Снаружи располагался цинковый полый цилиндр, покрытый амальгамой и чуть меньшей высоты, окружённый слабым раствором серной кислоты.

Неизвестно, что привело учёного к столь экзотической конструкции, но она действовала потрясающе. За сто лет до события учёного точно обвинили бы в колдовстве. В 1881 году на Международной конференции электриков решено, что напряжение, выдаваемое одной ячейкой Дэниэла, станет называться 1 В. Эта величина и сегодня используется для измерения номинального напряжения. С оговоркой: действительный потенциал ячейки Дэниэла при температуре 25 градусов Цельсия равен 1,1 В.

Конструктор отмечал, что бычий пищевод возможно заменить фаянсом, но эксплуатационные характеристики ячейки становились хуже. Позже Джон Гасьё предложил использовать неглазированный фарфор в качестве пористой мембраны. Высокое внутреннее сопротивление ячейки обуславливало малый ток, но постоянность потенциала (1,1 В) оказалась быстро замечена, и гальванический элемент использовался в качестве эталона до официального признания таковым в 1881 году. С этого времени говорят о номинальном напряжении.

Поставки энергии

Уже в 1843 году Луис Делеуи при помощи ячеек Бунзена и электрической дуги осветил Площадь Согласия в Париже. Это важный момент, как видно дальше, на французские шоу равнялись прочие видные деятели того времени.

Считается, что первый магнето построен Пикси в 1832 году, но массового применения ток не нашёл. В 1844 году пару ручных генераторов создал Вулрич для гальванизации металлов, и это первые промышленные образцы. В середине 50-х энергию стали использовать, получая её из пара и преобразуя при помощи коленвала и подобных штуковин в электричество. Уже были известны двигатели Пейджа, совершавшие прямо противоположное, толкая составы поездов.

Двухтонный двигатель на 600 оборотов, построенный по проекту Блэквэлла считается первой попыткой создания полностью автоматического парового генератора тока. В паре с ним использовался механический коммутатор для спрямления переменной составляющей. В 1858 году подобные генераторы начали использоваться в качестве оборудования английских маяков. Результат не превзошёл ожидания, но совершился первый шаг к поставкам энергии для нужд человечества.

Параллельно шли демонстрации электрического освещения во Франции. Там новинка служила скорее для развлечения публики. К началу 70-х годов отдельные маяки прочно перешли на электричество, включая одесский. На сцену выходят немцы, прежде остававшиеся в тени английских и французских экспериментов. Организатору и затейнику Оскару фон Миллеру захотелось превзойти иностранцев. Он заказал организовать передачу электрической энергии на расстояние 35 миль. Что стало первой высоковольтной сетью в мире.

Номинал всегда обозначен

Зачем повышать номинал напряжения

В разделе о двухполюсных автоматах дан краткий экскурс в развитие цепей передачи. Показано, что вольтаж постоянно стремились повысить. Это требуется для обеспечения приемлемого КПД, который сегодня не опускается ниже 90%. Объясняется это через закон Ома для участка цепи:

1. При прохождении тока по линии теряется энергия.
2. Это происходит согласно закону Джоуля-Ленца.
3. Величина потерь определяется током.

Согласно закону Ома эти величины, включая напряжение, связаны. Чем больше напряжение, тем меньше ток при аналогичной переданной мощности. Следовательно, пониже и потери. Получается, при передаче энергии на большие расстояния сечение провода требуется повышать, как и номинальное напряжение. Уже в 1923 году по линии пропускали 220 кВ. Все 20-е немецкая компания RWE AG строила такие трассы. Одна пересекает Рейн, переброшенная через два пилона высотой 138 метров в районе Фёрде. С 20-х годов необходимость располагать предприятия рядом с электростанциями отпала окончательно.

Параллельно шёл процесс электрификации США. Первая ГЭС на Ниагаре построена ещё в 90-х годах XIX века, не трёхфазная. Система Николы Теслы состояла из 4-х проводов и легко могла быть переоборудована. За описанными событиями номиналы напряжений линий передач росли:

1. Германская линия в Роммерскирхене оказалась первой на номинальное напряжение 380 кВ. Одновременно аналогичная трасса, проложенная через Мессинский пролив, введена в эксплуатацию в Италии.
2. США, СССР и Канада одновременно вводят в эксплуатацию линии номинальным напряжением 750 кВ в 1967 году.
3. В 1982 году самая высоковольтная линия введена между Электросталью и Экибастузом. Три фазы переменного тока номинальным напряжением 1,2 МВ.
4. В 1999 году Япония строит линию Кита-Иваки номинальным напряжением 1 МВ.

С начала XXI века за постройку высоковольтных линий взялся Китай.

Известные номиналы напряжений

Все функционирующие сегодня ЛЭП большой протяжённости работают на номинальных напряжениях 115 – 1200 кВ трёхфазного тока. Дальнейшее повышение вольтажа неэффективно, приводит к появлению обильных коронных разрядов, обнаруживающих тенденцию перерастать в дугу. Самые большие потери возникают на низковольтной части. К примеру, во Франции ежегодные потери оцениваются в 325 ГВт часов, что составляет 2,5%, в США они достигают 7,5%. Это объясняется разницей номинального напряжения – 220 В против 110.

На 1980 год экономически эффективная длина линии составляла 7000 км, но реально существующие намного короче указанной цифры. На значительных расстояниях начинают играть роль ёмкостное и индуктивное сопротивление. Вместе они образуют реактивный импеданс, не дающий поставить энергию пользователям. Это блуждающие туда и сюда токи, представляющие собой целиком паразитный эффект. Этим определяется фактор мощности линии, не слишком большой.

Сегодня доказано, что выгоднее на больших дистанциях поставлять постоянный ток, не затекающий в индуктивные сопротивления – ёмкостное, образованное проводом и землёй, и индуктивное. Отсутствует понятие реактивной мощности. Доказывается факт, что Никола Тесла вёл борьбу за переменный ток преимущественно для причинения ущерба Эдисону.

Учитывая сэкономленное, выгодно строить на концах мощных линий преобразовательные станции для перевода токов. Одновременно уходят потери на излучение, просачивание сквозь экран в землю, снижается уровень коронного разряда. Уже сегодня кабели для подзарядки аккумуляторов подводных лодок питаются постоянным током, передавать по ним переменный нецелесообразно уже на расстоянии 30 км. Сегодняшние линии имеют в 20 раз большую протяжённость, успешно эксплуатируются. Для передачи переменного тока ограничения зависят от расстояния:

1. На малых линиях – тепловые потери, призванные не разрушить изоляцию провода.
2. На средних дистанциях учитывается падение напряжения, нельзя брать слишком высокое.
3. На дальних дистанциях в силу вступают факторы реактивной мощности, определяющие устойчивость системы.