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.
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.
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?
Заземления много не бывает
Как устраивается подключение устройств, потребляющих не однофазный, а именно трёхфазный переменный ток, например, электродвигателей или трансформаторов? Катушки (они же – «обмотки») этих устройств должны, как больше ста лет назад придумал М.О. Доливо-Добровольский, соединяться строго определенным образом – «в звезду» или «в треугольник». Наиболее распространенным способом соединения фаз является так называемая «звезда». Вспомните эмблему автомобильной фирмы «Мерседес» — трёхлучевая звезда в круге. Мысленно убираем круг — и получим эту самую схему соединения, «звезду». К концам лучей звезды подается трёхфазный ток, на этих лучах находятся входные контакты обмоток двигателя или трансформатора, а выходные контакты соединены в центре звезды вместе. И нет, не стоит думать, что в центральной точке нашей схемы случится КЗ. Вся энергия будет потрачена в обмотках – она либо передается в случае трансформатора на его вторичные обмотки, либо полностью преобразуется в механическую работу в случае мотора. Поскольку энергия полностью будет израсходована в обмотках, то в средней точке «звезды» электрического напряжения нет. Совсем нет! Средняя точка называется «нейтралью», и ее можно смело заземлить. Большинство электроустановок, работающих в схеме «звезда», именно так и устроены, с заземленной средней точкой. Энергетики это называют «глухозаземленная нейтраль».
Анимированное изображение течения токов по симметричной трёхфазной цепи с соединением типа «звезда»
Тем не менее, в средней точке напряжение может появиться. Например, у электромотора в какой-нибудь из обмоток случилось межвитковое замыкание, из-за чего снизилось сопротивление этой обмотки, и, как следствие, расход электроэнергии в ней увеличился. В результате этого симметричность напряжений и токов в «звезде», свойственная нормальной работе электроустановки, нарушится – произойдет «перекос фаз», средняя точка сдвинется в сторону той фазы, где начал происходить больший расход энергии, а в центре «звезды» появится напряжение. Но это нештатный режим работы, при таком раскладе двигатель надо отключать и отремонтировать. Если в электроустановке всё нормально, она работает в штатном режиме, то в средней точке напряжения нет, и она заземлена.
Обычно в распределительных сетях 380 вольт средние точки обмоток понижающих трансформаторов, установленных на подстанциях (в трансформаторных будках), всегда заземлены. Однако четвертый провод ВЛ, тот самый «нуль», к средним точкам не подключен. Его наличие на опорах ВЛ необходимо вовсе не для того, чтобы попилить бюджеты на монтаже линий и не для подачи «нуля» потребителям. Нулевой проводник необходим для корректной работы защит ВЛ до 1000 В. Нюанс заключается в том, что схема «звезда с глухозаземленной нейтралью» при всех своих достоинствах обладает одним крайне неприятным (для энергетиков, конечно) недостатком – ток короткого замыкания (КЗ) между фазой и землей в такой схеме относительно невелик. Так это ж хорошо, подумает кто-нибудь: раз ток невелик, то и перегрузка сети от КЗ в линии не слишком большая. Так-то оно так, но тут появляется другая проблема: чувствительность защиты в сетях 380 В очень ограничена.
Например, линия 380 В имеет номинальный (максимально возможный) ток 600А. При КЗ где-нибудь на воздушной линии из-за её длины ток на подстанции поднимется максимум до 650-700А. Для защиты это всего лишь небольшой скачок нагрузки, на который она просто не реагирует, а в это время где-то на ВЛ провода от возникшей электрической дуги отгорают от контактов на опорах и падают на землю. Происходит это потому, что точка КЗ может находиться достаточно далеко от подстанции, ток от нее идет через землю, которая имеет вполне конкретное сопротивление. Наличие нулевого проводника позволяет возвращать ток от КЗ на подстанцию по тому самому проводу №4, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением земли очень мало. В результате ток КЗ значительно увеличивается, и его начинает «чувствовать» защита. Хотя вот такое сознательное увеличение тока КЗ, на первый взгляд, выглядит странно, но в этом есть практический смысл – это самый простой и экономически самый оправданный способ обеспечить корректную работу систем защиты. Да, еще одна любопытная деталь: защита линий реагирует на силу тока, а не на его напряжение! Ну, вообще-то защиты есть разные, с разными контролируемыми параметрами, но для защит в распределительных сетях 380 В именно сила тока в линии или на устройстве является ключевым параметром, который и отслеживает защита, на изменение которого она так или иначе реагирует.
Тут некоторые читатели могут поинтересоваться: мы физику в школе уже давненько учили, а что же такое сила тока и напряжение, и почему их величины надо контролировать? Прежде всего потому, что сила тока и его напряжение — важнейшие параметры любой электроустановки, эти параметры влияют вообще на всё, что в ней происходит. Что касается наглядной аналогии понятий силы тока и его напряжения, то вполне можно использовать достаточно простую. Представьте себе водопроводный кран у себя в квартире. В нем всегда имеется давление воды — неважно, открыт кран или закрыт, вода при нормально работающей системе водоснабжения всегда давит с некоторой силой со стороны водопровода на запирающее устройство крана. Вот это самое давление воды приблизительно похоже на напряжение в электросети. Пока кран закрыт, вода из него не течет. Но стоит кран открыть, как из него с некоторой скоростью польется вода. Величина этой скорости – аналог силы тока. А электрическое сопротивление – это размер отверстия, через которое истекает вода. Чем меньше отверстие, тем ниже скорость истечения, и тем выше давление воды в отверстии крана. Ну чем не закон Ома (R = U / I, где R – сопротивление, U – напряжение и I – сила тока)? А ведь закон Ома – важнейший закон электротехники!
А теперь, после скучной теории, обратим внимание на электрощитки установленные на лестничных клетках жилых домов — ну, на эти большие железные ящики с запертыми дверцами. В них стоят вводные квартирные автоматы и счётчики, своими корпусами щитки соединены не только с заземлением, но и с нулевым проводником кабеля питания. В этом легко убедиться, открыв ту часть щитка, где выполнена разводка электричества по квартирам: подводящий кабель, как правило, четырёхжильный, и одна из его жил (обычно ее изоляция имеет окраску в виде продольных желтой и зеленой полосы) прямо соединена с корпусом щитка. Сделано это не для того, чтобы убить жильцов ударом тока: в нулевом проводнике кабеля нет напряжения, к тому же он, как мы только что выяснили, у ввода в дом принудительно заземлен. Впрочем, щиток может, и так часто бывает, иметь и дополнительное заземление. Соединение корпуса щитка с «нулём» называется «защитное зануление», а с землей – «защитное заземление».
Поскольку щиток на этаже занулён (и заземлён), а нулевой проводник кабеля питания имеет разводку по квартирам, то вполне можно соединить нулевой контакт квартирной розетки 220В с ее, розетки, заземляющим контактом. Ну, знаете, есть такие модные розетки и вилки с двумя металлическими полосками по бокам. И мы получим защитное зануление – аналог заземления. Не во всех домах есть проводка с отдельной заземляющей жилкой, и такой способ вполне допустим, например, для подключения стиральной машины, чтобы обезопасить себя от пробоя изоляции внутри неё. Определить нулевой проводник в розетке несложно, в этом поможет известная всем индикаторная отвёртка с лампочкой, загорающейся от прикосновения рукой при наличии напряжения. Если в розетке есть напряжение, то в одном из контактов индикатор светиться будет, а в другом – нет. И именно тот контакт, в котором индикатор не светится, является нулевым, его и следует соединять с заземляющим контактом розетки. Однако автор этих строк не рекомендовал бы применять данный метод защитного зануления. Дело в том, что даже если вы сделаете всё правильно, то есть определите в розетке «нуль», соедините его с заземляющим контактом, то в какой-то момент к вам в дом может прийти на обслуживание щитков электрик из управляющей компании. Он, не предупредив вас, по своему усмотрению поменяет во вводе в вашу квартиру фазу и нуль местами, и в результате вы получите на корпусе своей стиральной машины 220В. В общем, лучше не рисковать, есть куда как более безопасные способы внезапно почувствовать бодрость во всем теле.
Собственно, а почему используется именно земля? В данном контексте следует понять, что имеется в виду не почва, а именно вся наша планета как таковая, то есть правильнее было бы писать «Земля». Дело в том, что, во-первых, Земля является хорошим проводником электричества, а во-вторых, Земля – это чудовищных размеров электроёмкость, гигантский электрический конденсатор, способный «переварить» в себе мощности на несколько порядков большие, чем те, которые человечество суммарно сейчас для себя вырабатывает. Такое важное электротехническое устройство грех не использовать в системах электроснабжения, вы не находите?
Энергетики слово «Земля» пишут с большой буквы
Добавим также немного важной информации о заземлении. Любой объект, на котором используется электричество, должен быть оборудован целой системой – контуром защитного заземления. Это стальные стержни, заглублённые в грунт на метр-полтора, и жёстко, обычно сваркой, соединенные вместе с помощью стальной же полосы. К контуру заземления подключается всё, что должно быть заземлено – корпуса электрощитов и электромоторов, конструкции, по которым проложены кабели, в общем, все металлические детали всего оснащения зданий и сооружений, на которые так или иначе может случайно или намеренно попасть электрическое напряжение. Контур обязательно есть у любого многоквартирного дома, подстанции, производственного цеха, офисного центра или торгово-развлекательного комплекса. Важным параметром контура заземления является его сопротивление току растекания. Эта величина жёстко регламентируется, для её измерения предназначен особый прибор. Называется он измерительным мостом, и имеет три проводника-электрода.
Один относительно короткий, длиной метров пять, с зажимом в виде струбцины на конце, а два других – длинные, по 30 метров, заканчивающиеся стальными метровыми кольями. Для проверки контура короткий провод присоединяется к нему зажимом, два других провода разматываются на максимальную длину, их колья до упора погружаются в грунт на расстоянии 15 метров друг от друга. После этого включается мост, который показывает сопротивление грунта, или, точнее, сопротивление току растекания, на дистанции от контура до кольев прибора. Сопротивление току растекания в контуре заземления жилого дома не должна превышать 4 Ом. Если потребитель ответственный, например, подстанция, электростанция, или иной важный/режимный объект, то сопротивление должно быть меньше 0,5 Ом. Если сопротивление контура больше указанных пределов, то следует увеличить количество забитых в грунт кольев контура заземления. При несоответствии сопротивления контура данным требованиям Энергонадзор запретит эксплуатацию объекта до приведения заземления к нормам. Мелочей тут не бывает! Кроме всего прочего, контуры заземления должны регулярно контролироваться с помощью описанного выше прибора и визуальным осмотром. Наружный осмотр проводится не реже раза в полгода, и не реже раза в 12 лет вокруг кольев вскрывается грунт для контроля подземной части контура. Измерение сопротивления контура выполняется для устройств до 1000В не реже одного раза в 6 лет, для устройств выше 1000В – не реже одного раза в 12 лет.
Итак, мы выяснили, что в сетях 380В для передачи электроэнергии используется четыре провода, один из которых – «нуль» — в нормальном режиме работы висит «пустым», без напряжения, зато имеет очень важную функцию – обеспечивает корректность работы защитных систем. Нулевой провод должен быть того же сечения, что и фазные. Кстати, термин «линия 380В» не очень точен. Энергетики применяют другое обозначение устройств и линий с таким напряжением – «до 1000В» или, чаще, «0,4кВ». Давайте далее использовать именно последний термин, прям как настоящие энергетики. На ВЛ-0,4 кВ провода обычно подвешены на опорах в шахматном порядке, и самый нижний из них – именно нулевой. Кстати, порядок фаз во всех электроустановках крайне важен. Их стандартно обозначают латинскими буквами «А», «В» и «С», и расцветкой – жёлтый, красный и зеленый цвет соответственно. Если фазы в присоединении перепутать, то можно в лучшем случае обнаружить, что электродвигатели вращаются не в ту сторону, а в худшем – устроить межфазное КЗ. Поэтому энергетики всегда тщательно следят за порядком фаз, об этом обязательно нужно помнить и тем, кто по какой-то причине занимается коммутацией электродвигателей к сети самостоятельно.
У пытливого читателя уже наверняка возник вопрос: а почему речь идет о напряжении в линии 380В, а в квартирах у нас обычно 220В? Тут нет ошибки или путаницы. 380В – это напряжение между двумя любыми фазами, а 220В – между любой фазой и нулём. 380В ровно на «квадратный корень из трёх» больше 220В. И если электрик перепутает, подав вам в квартиру вместо фазы и нуля две фазы, то вы получите в розетках не 220, а 380 вольт. В этом случае большинство из ваших устройств, особенно сложных, красиво сгорят, поскольку на такой поворот событий они не рассчитаны. Выдержат, скорее всего, эту неприятность только лампы накаливания да электрочайник, и то вряд ли. В общем, будьте бдительны!
Ну хорошо, с ВЛ-0,4кВ разобрались. Но почему у высоковольтных ВЛ провода всего три, неужели им не нужен «нуль»? Нет, не нужен. Их защиты обычно гораздо более сложны, чем в сетях 0,4кВ, и использовать нулевой проводник хоть и можно, но не имеет смысла. Поэтому практически все линии выше 1000В – трехпроводные.
Ладно, а ведь на опорах высоковольтных ЛЭП может быть и больше четырех или трех проводов, мы не редко это видим – если, конечно, присматриваемся к пейзажам, неотъемлемой частью которых вот уже много лет являются опоры и провода воздушных линий. Совершенно верно, может. Проводов на опорах может быть восемь или шесть, поскольку по одним опорам проложено сразу две разные ВЛ, до и выше 1000В соответственно (мы ведь помним – линии до 1000В, как правило, имеют по четыре провода). Такая ВЛ с двумя независимыми линиями называется двухцепной, то есть на две независимых электроцепи. Если опоры достаточно прочные, а провода не слишком большого сечения и веса, то почему бы не использовать несущую способность опор для прокладки второй ВЛ? И место сэкономим, и время на монтаж, и материалы (опоры, поддерживающие конструкции, изоляцию). Энергетики, однако, подобные схемы не любят и называют их «опасным местом» — это официальный термин. Дело в том, что две параллельно идущие линии работают как трансформатор, только не навитый на сердечнике, а растянутый. И если одна линия отключена, а вторая под напряжением, то в отключенной линии будет наводиться напряжение от работающей линии. Напряжение небольшое, но достаточное, чтобы доставить неприятности. Кроме того, провода двухцепных линий обычно висят близко, и при работе на одной ВЛ, даже отключенной, есть риск случайно «влезть» в работающую ВЛ. Поэтому обычно двухцепные линии отключают полностью, и, если есть возможность, стараются избегать строительства подобных ВЛ.
Также высоковольтные линии вполне могут быть четырехпроводными. Как уже говорилось выше, по самому верху опор, над проводами под напряжением, обычно прокладывают провод, или, если использовать профессиональную терминологию, трос грозозащиты. Он заметно тоньше фазных проводов, висит без изоляторов над верхушками опор и обязательно самым тщательным образом на каждой опоре заземляется. Наличие троса грозозащиты позволяет уберечь саму ВЛ от попадания молнии.
Электротехника высоких напряжений
Ох уж, эти атмосферные явления! В энергетике им посвящена целая наука – техника высоких напряжений. Она изучает все процессы, связанные с молниями, попаданиями молний в линии электропередачи и мерами защиты от этих проблем. Сами проблемы имеют строго научное название – атмосферные перенапряжения. Название связано именно с крайне высоким электрическим напряжением, которое несёт молния. Порядок цифр в уровне напряжения обычной молнии – миллионы вольт. Понятно, что можно подобрать изоляцию ВЛ и подстанций, которая выдержит такие потенциалы, современные материалы весьма сильно продвинулись в части диэлектрической прочности. Но изоляция в любом случае получится чрезвычайно громоздкой, тяжелой и крайне дорогой. Гораздо дешевле как-то ограничить влияние атмосферных перенапряжений в электросетях. Вот один из способов ограничения и есть тот самый трос грозозащиты. Висит он всегда выше фазных проводов, сделано это умышленно — молния попадёт с большой вероятностью именно в него. Поскольку трос хорошенько заземлен, весь разряд тут же уйдет в землю, не причинив ВЛ никакого вреда.
Но ведь может так случиться, что молния ударит мимо троса, в фазный провод линии. Как быть в этом случае? Для решения подобных вопросов служат особые устройства, которые имеются на любой ВЛ, от 0,4кВ до 500кВ и выше — разрядники. Как устроен разрядник? Обычно это пустотелый цилиндр из хорошего изолятора, как правило, фарфоровый. Нижняя часть разрядника заземлена, верхняя подключена к фазному проводу и постоянно находится под его напряжением. Внутри цилиндра имеется две важнейшие части устройства – искровой промежуток и вилитовые диски. Начнём с последних. Вилит – особый материал, напоминающий чем-то по структуре и внешнему виду очень плотный мел. Интересен он тем, что его электрическое сопротивление тем меньше, чем больше приложенное к нему напряжение. Толщину слоя вилита можно выбрать так, что, например, в разряднике для линии 10кВ сопротивление этого материала будет таким же, как у обычной изоляции, при повышении напряжения до, скажем, 30кВ, снизится вполовину, а до 100кВ вообще станет очень незначительным. Становится понятно, что номинальное напряжение ВЛ-10кВ такой слой выдерживает как изолятор, а резкое повышение напряжения в линии от удара молнии делает его проводником, и разряд просто уйдет в землю. Вилит в разряднике уложен не в виде цельной детали, а столбиком из дисков, похожих на огромные таблетки. Обычно верхняя часть слоя вилита в случае срабатывания разрядника от дуги подгорает, поэтому горелый диск можно удалить, заменив его новым, а весь остальной слой оставить.
Вилитовые диски отделены от верхнего ввода в разрядник, находящегося под напряжением ВЛ, искровым промежутком. Его назначение простое: вилит при нормально работающей ВЛ не должен находиться постоянно под напряжением, он от этого портится, к тому же он при обычных условиях хоть и изолятор, но хуже фарфора. Напряжение на вилитовые диски должно подаваться только при перенапряжении. Искровой промежуток как раз и служит временным изолятором между напряжением фазы и вилитом. Он представляет собой своеобразный цилиндр, набранный из металлических колец особой формы с изоляционными прокладками между ними. Кольца находятся очень близко друг к другу, но всё-таки зазоры между ними достаточны для того, чтобы номинальное напряжение ВЛ их не пробивало. При перенапряжении в линии зазоры будут легко пробиты возникающей дугой, напряжение попадёт на вилитовые диски, которые потеряют сопротивление и уведут перенапряжение в землю. Вот и всё, разрядник выполнил своё назначение.
Наверняка многие из вас, уважаемые читатели, разрядники видели, просто не обращали на них особого внимания. Особенно их легко обнаружить на опорах, стоящих рядом с понижающей подстанцией. Обычно с последней (или первой) опоры в линии питания заводится в трансформаторную будку кабелем. Именно на этой опоре ставят разъединитель (о том, что это такое, мы говорили ранее), и тут же, рядом с разъединителем, монтируют три разрядника, по одному в каждой фазе. Кстати, ввод с ВЛ в подстанцию именно кабелем делается не только для удобства и безопасности (не надо делать двухэтажную подстанцию, чтобы высоковольтный ввод был как можно выше). Дело ещё и в том, что у кабеля и проводов линии разное так называемое волновое сопротивление – термин, пришедший в электротехнику из радиосвязи. Фронт волны атмосферного перенапряжения, набегающий по проводам воздушной линии, вполне может в месте перехода её в кабельную линию из-за различия в волновом сопротивлении отразиться от этого самого перехода и на подстанцию не попасть вообще. Именно поэтому подавляющее большинство современных подстанций на 10кВ делают с кабельным вводом – это и безопасно, и с перенапряжениями помогает бороться. Подстанции на 35кВ и выше из-за технической сложности монтажа и обслуживания кабелей на такое напряжение, а также их дороговизны, обходятся воздушным вводом и разрядниками на нём.
Кроме атмосферных перенапряжений, существуют ещё и коммутационные перенапряжения, образующиеся из-за возникновения резонансных явлений в линии при ее включении или отключении (откуда, собственно, и название). Природа и проявления таких перенапряжений чем-то похожи на гидроудар в водопроводе. Коммутационное перенапряжение появляется тогда, когда кто-то щёлкнул выключателем в неподходящий момент, причем неважно, включил он линию или устройство, или отключил. Наверняка многие с этим явлением и в быту сталкивались: бывало, включишь свет, а лампочка вдруг почему-то ррраз, и с выстрелом перегорела – происходит это именно из-за коммутационного перенапряжения. Величины напряжения при этом явлении не столь велики, как при ударах молнии, конечно, но они достаточны для пробоя ослабленной в каком-нибудь месте изоляции. Методы борьбы с коммутационными перенапряжениями такие же, как и для предотвращения последствий атмосферных перенапряжений — разрядники и кабельные вводы.
Разрядники используются не только для защиты от перенапряжений. На высоковольтных подстанциях очень часто можно обнаружить одинокий разрядник, включенный в цепь заземления средней точки первичной обмотки трансформатора. Средняя точка (нейтраль) схемы «звезда» может работать в двух режимах – с заземлением и без него. Выбор режима осуществляется с помощью включения разъединителя в цепи заземления нейтрали. Разъединитель включает заземление средней точки, это уже знакомый нам режим «глухозаземленная нейтраль». Параллельно разъединителю подключен разрядник, и если разъединитель отключить, то прямое электрическое соединение средней точки «звезды» с землей прервётся – разрядник в нормальном режиме ток не проводит. Такой режим называется «изолированная нейтраль». Включение и отключение нейтрали на подстанциях и, соответственно, режим работы этой нейтрали, исходя из параметров работы энергосистемы, задаётся ее оперативным руководителем – энергодиспетчером.
Об оперативном руководстве и важности диспетчерской работы мы поговорим позже, сейчас просто уясним себе этот факт. Энергодиспетчер прямо указывает персоналу каждой подстанции, в каком режиме должны работать нейтрали трансформаторов. Но на практике в большинстве случаев трансформаторы работают с глухозаземленной нейтралью практически повсеместно. Разрядник в цепи нейтрали нужен для того, чтобы она в нормальном режиме работы трансформатора и всех присоединениях после него была изолирована от земли. В случае возникновения нештатной ситуации и, как следствие, перекоса фаз (об этом явлении говорилось выше) на средней точке появилось бы напряжение, которое при определенном значении пробило бы разрядник и ушло в землю, защитив трансформатор от аварии.
Провода, Земля, разрядники – защита от неожиданной встречи с током должна быть надежной
Подведем итог. Количество проводов в ВЛ зависит от напряжения в ней. ВЛ-0,4кВ имеют, как правило, четыре провода – три фазных и один нулевой, в котором при нормальной работе напряжение не только отсутствует, но и в принципе появиться не должно, поскольку нулевой проводник прямо соединен с землей. Нулевой проводник крайне важен для корректной работы защит, поскольку короткое замыкание между фазой и землей может иметь очень небольшой ток, ниже чувствительности защиты. Линии выше 1000В трехпроводные, а тонкий провод, проложенный на высоковольтных ВЛ по самому верху опор не является токонесущим — это трос грозозащиты, предохраняющий линию от попадания молний. Кроме этого троса, для устранения проблем, связанных с ударами молний (атмосферными перенапряжениями) на ВЛ имеются также специальные устройства – разрядники. В нормальном режиме работы разрядник является изолятором и никак себя не проявляет, в случае появления в линии волны перенапряжения разрядник из-за особенностей используемого внутри него материала – вилита – становится проводником, и отводит перенапряжение в землю. Если дуга не успела сильно пожечь искровой промежуток внутри разрядника, то он тут же, сразу после срабатывания, опять становится изолятором и вновь готов к работе.
В энергетике широко используется Земля – не почва, а именно вся наша планета, используется планета и как отличный проводник электричества, и как гигантский электрический конденсатор. С Землей часто соединяют нейтраль – среднюю точку, к которой подключены обмотки электромотора или генератора, соединенные в схему «звезда». Соединение устройств и их частей с землей называется заземлением, и такое заземление является рабочим. Если с Землей соединяется устройство не для правильной работы, а исключительно для предотвращения от ударов током, например, обслуживающего персонала, то такое заземление называется защитным. В энергетике все (ВСЕ!) металлические части всех (ВСЕХ!) устройств, за исключением, конечно, самих проводников с током, в обязательном порядке тщательно заземляются. То есть обязательно заземлены будут корпуса трансформаторов и выключателей, несущие конструкции РУ, даже двери для входа на подстанцию и забор вокруг нее! И качество заземления будет обязательно и регулярно контролироваться осмотрами, а также специальным прибором.
Ну, и специально для тех, кто не понял излишне тонкого намека на толстые обстоятельства: Земля – это «гео», а энергетика и есть энергетика. И было бы очень странно, если бы вот эта статья не появилась на страницах Аналитического онлайн-журнала Геоэнергетика.ru, как, впрочем, и наоборот – если бы она появилась где-то в другом месте.
Подготовлено в соавторстве с Борисом Марцинкевичем