Электричество в доме

Темнеет. В домах зажигают свет. Проходит полчаса, и редкое окно остается темным. А когда стрелка часов подходит к восьми, в некоторых комнатах свет гасят, но включают телевизоры.

Что же особенного в электроэнергии?

В каждой комнате есть электрические лампы, штепсельные розетки и выключатели. Нужен свет — включают. Мало одной электрической лампы — зажигают люстру. Захотелось чаю — включают электрочайник. Мы так привыкли к тому, что в квартирах имеется достаточное количество электроэнергии, что не задумываемся над тем, откуда она берется и много ли мы ее расходуем.

А между тем электрические лампы, телевизоры, печи, холодильники и другие приборы (иначе электроприемники) представляют для электростанций нагрузку. Это значит, что их включение и отключение не проходят для электростанций бесследно: чем больше электроприемников включено, тем большая работа должна быть произведена, чтобы выработать необходимое количество энергии. Об объеме этой работы можно судить, например, по суммарной мощности телевизоров: в больших городах она исчисляется десятками и даже сотнями тысяч киловатт. Годовой расход электроэнергии на освещение оценивается миллиардами киловатт-часов. Ежегодный выпуск бытовых электроприборов исчисляется миллионами штук. Да в какой квартире сейчас нет холодильника, стиральной машины, электропылесоса, телевизора и других электропотребляющих приборов? А ведь на выработку каждого киловатт-часа электроэнергии на тепловых электростанциях расходуется примерно 7з кг условного топлива.

В настоящее время подавляющее количество всей электроэнергии дают тепловые электростанции (рис. 1,я). Мощность современных электростанций исчисляется сотнями тысяч и миллионами киловатт.

Где строят электростанции. Чтобы удешевить перевозки топлива к электростанции и не сжигать на электростанциях первосортный уголь и нефть, являющиеся ценнейшим сырьем для промышленности, а использовать торф, бурый уголь, сланцы, штыб (мелочь, отходы угля), тепловые электростанции строят там, где топливо добывается, а выработанную электроэнергию передают потребителям по проводам.

Рис. 1. Электростанции:

а ~~ тепловая электростанция. Топливо, например уголь, по эстакаде / поступает в бункер 2, а оттуда в пылеприготовительное устройство 3. Угольная пыль сжигается в топке парового котла 4. Пар высокого давления вращает паровую турбину 5, приводящую в движение ротор электрического генератора 6; б — гидроэлектростанция. Вода по напорным водоводам 7 поступает в гидравлическую турбину 8, а затем уходит в русло реки 9. Турбина приводит в движение ротор электрического генератора 10; в — атомная электростанция. В ядерном реакторе Л атомная энергия превращается в теплоту, которая нагревает воду, циркулирующую в трубах 12 под высоким давлением. Горячая вода поступает на теплообменник — парогенератор 13, где отдает тепло другой воде, обращая ее в рабочий пар. Пар вращает паровую турбину 14, соединенную с электрическим генератором /5

Реки текут с возвышенностей в низины и, следовательно, способны совершать механическую работу. На горных реках сооружают гидроэлектростанции, используя естественный напор воды. На равнинных реках напор создается искусственно с помощью плотин (рис. 1,6).

В богатых сырьем, густонаселенных и отдаленных от источников энергии районах строят атомные электростанции (рис. 1,в) Они работают на топливных элементах, содержащих так называемое ядерное горючее. Использование ядерного горючего сберегает огромное количество органического топлива (нефти, угля).

Какая электростанция питает нашу квартиру? Как ни странно, но ответить на этот естественный и простой вопрос невозможно. Дело в том, что электростанции работают на общую сеть, связаны линиями электропередачи, образуя энергетические системы (Мосэнерго, Ленэнерго и т. п.), которые совместно питают потребителей. В СССР созданы крупные объединенные энергосистемы.

Сети Единой Европейской энергетической системы перешагнули за Урал, в Казахстан и в Сибирь. Объединение энергетических систем, связанных единым режимом, характеризует современное состояние Единой энергетической системы всей страны (ЕЭС).

Для чего создаются и объединяются энергосистемы. Объединение электростанций в энергосистемы и энергосистем между собой удешевляет электроэнергию и обеспечивает бесперебойность электроснабжения потребителей. Это объясняется тем, что выработка электроэнергии, ее передача потребителям и расходование происходят одновременно, так как выработанную энергию нельзя запасти на складах. Значит, электростанции должны иметь достаточный резерв мощности, чтобы в любое время удовлетворить спрос потреби-телей. А этот спрос резко изменяется не только в течение суток, но и, в разные времена года.

Зимой, например, темнеет раньше, чем летом. Поэтому лампы включают раньше и горят они дольше. В сельском хозяйстве электроэнергия в больших количествах нужна именно летом, когда производятся полевые работы и орошение, а в городах в это время расход электроэнергии снижается. Наконец, на востоке светлеет и темнеет раньше, чем на западе, следовательно, максимальные нагрузки восточных и западных электростанций не совпадают. При совместной работе электростанций они помогают одна другой, загружаются более равномерно и их- коэффициент полезного действия выше.

На электростанциях, работающих изолированно от энергосистемы, нельзя применять агрегаты очень большой мощности, так как выход одного из них из строя сразу же парализует работу многих предприятий, лишает целые районы света, грозит остановкой трамвая, водопровода и т. п. В энергосистемах нет причин отказываться от агрегатов большой мощности, так как нагрузку вышедшего агрегата немедленно подхватывают другие, оставшиеся в работе. Они перегружаются незначительно и, кроме того, гораздо экономичнее. Экономичность крупных агрегатов привела к резкому увеличению мощности -в каждой единице.

Какими путями электроэнергия поступает к потребителям. На пути от электростанции к потребителям электроэнергия претерпевает изменения: она трансформируется с одного напряжения на другое. Пример трансформации для небольшого участка энергосистемы показан на рис. 2, а.

Сначала напряжение, например 10 500 В, получаемое от генератора Л повышается трансформатором 2 и при напряжении 110 000 В идет передача по линии 3 на расстояние 100—150 км. Затем на районной подстанции 4 напряжение снижается до 10 500 В и по подземному кабелю 5 поступает на трансформаторную под

Рис. 2. Передача электроэнергии, трансформаторы тока:

а — пример трансформации: / — генератор; 2 — повышающий трансформатор; 3-линия электропередачи; 4 — районная подстанция; 5 -подземный кабель; 6 — понижающий трансформатор; б— опоры воздушных линий разных напряжений

станцию, находящуюся в нескольких сотнях метров от потребителей. На этой подстанции трансформатор 6 так понижает напряжение, чтобы в квартирах было 127 или 220 В (об этом подробнее см. в § 2).

Каждому напряжению соответствуют определенные способы выполнения электропроводки. Это объясняется тем, что чем напряжение выше, тем изолировать провода труднее. Например, в квартирах, где напряжение не выше 220 В, проводку выполняют шнуром или проводами в резиновой или пластмассовой изоляции. Эти провода просты по устройству и дешевы. Несравненно дороже и сложнее устроен кабель, проложенный между трансформаторы тока 4 и 6. На рис. 2, б слева направо изображены опоры для воздушных линий электропередачи напряжениями 500 000, 220 000, 110 000, 35 000 и 10 000 В. Они даны в одном масштабе. Заметьте, как увеличиваются размеры и усложняются конструкции с ростом рабочего напряжения! Опора линии напряжением 500 кВ имеет высоту семиэтажного дома. Высота подвеса проводов 27 м, расстояние между проводами 10,5 м, длина гирлянды изоляторов более 5 м. Высота опор для переходов через реки достигает 70 м. Но 500 кВ — это не предел.

Сложно и дорого оборудование высоковольтных подстанций. Высота выключателя около 10 м, масса примерно 40 т и для его работы нужно давление 2000 кПа. На более низкие напряжения оборудование значительно проще и дешевле. Совершенно очевидно, что на повышение напряжения, связанное с огромными затратами средств, идут в силу острой необходимости.

Зачем применяют высокое напряжение? Решить вопрос о том, сколько раз и как нужно трансформировать, — дело сложное, оно требует специальных знаний. Но существо дела легко понять на основании простого примера.

Допустим, что с электростанции в город, находящийся от нее на расстоянии 100 км, нужно передавать по одной линии 30 000 кВт. Из-за того что провода линии имеют электрическое сопротивление, ток их нагревает. А так как это тепло рассеивается и не может быть использовано, энергия, затрачиваемая на нагревание, представляет собой потери.

Свести потери к нулю невозможно 1— проводов без сопротивления не бывает. Но ограничить потери необходимо. Поэтому допустимые потери нормируют, т. е. при расчете проводов линии и выборе ее напряжения исходят из того, чтобы потери не превышали, например, 10 % полезной мощности, передаваемой по линии. В нашем примере, это 0,1-30 000=3000 кВт.

Если не применять трансформацию, т. е. передавать электроэнергию при напряжении 220 В, то для снижении потерь до заданного значения сечение проводов пришлось бы увеличить примерно до 10 м2. Диаметр такого «провода» превышает 3 м, а масса в про-лете составляет сотни тонн.

Применяя трансформацию, т. е. повышая напряжение в линии, а затем снижая его вблизи расположения потребителей, пользуются другим способом снижения потерь: уменьшают ток в линии. Этот способ весьма эффективен, так как потери пропорциональны квадрату силы тока. Действительно, при повышении напряжения вдвое ток снижается вдвое, а потери уменьшаются в 4 раза. Если напряжение повысить в 100 раз, ток уменьшится в 100 раз, а потери в 1002, т. е. 10 000 раз.

В качестве иллюстрации эффективности повышения напряжения укажем, что по линии электропередачи трехфазного переменного тока напряжением 500 кВ передают 1 000 000 кВт на 1000 км.

Ввод в дом. Итак, на подстанции вблизи нашего дома установлен трансформатор. От него через вводно-распределительное устройство в разные помещения расходится сеть проводов и кабелей. По ним электроэнергия передается электродвигателям вентиляторов; электродвигателям насосов при централизованном теплоснабжении от ТЭЦ и для подъема воды на верхние этажи; для общего освещения территории двора и лестничных клеток; для питания трансляционных узлов радио- и телевизионной сети; наконец, по каждой лестничной клетке проходит так называемый стояк — магистральные провода, от которых сделаны ответвления в квартиры. С этих проводов и начнется подробное рассмотрение устройства квартирной электросети и ее обслуживания.