Распределение электроэнергии для чайников
Текст Анатолия Сорокина
О тепловой генерации поговорили ( ТЭС для чайников), имеет смысл задержаться на том, как электроэнергия доставляется потребителю. Пусть и предельно упрощённо, а для более глубокого взгляда на тему для чайников есть отличнейшая и неустаревающая книга тёзки Томилина: «Рассказы об электричестве». Рекомендую.
Но вспомнить кое-что из школьного курса физики тоже не помешает, хотя бы для постоянного тока:
1) Мощность джоулева тепловыделения для линии электропередачи (ЛЭП) от генератора электроэнергии к её потребителю: Wлэп = I² * R, где:
R - электрическое сопротивление проводников ЛЭП,
I - сила тока, протекающего через ЛЭП и последовательно соединённую с ней полезную нагрузку
2) Мощность, выделяемая полезной нагрузкой есть Wнагр = V·I, где V - напряжение, на которое рассчитана эта самая полезная нагрузка.
Далее тривиальная алгебра: Wлэп = R · (Wнагр / V)². Т. е. чем больше напряжение, при котором работает нагрузка, тем при фиксированной её мощности и фиксированном сопротивлении проводников ЛЭП меньше тепловые потери в последней, выше её КПД. В своё время это послужило стимулом перехода бытовой техники с напряжения 127 В на 230 В. Но чем выше напряжение, тем больше риск электротравматизма, поэтому массовый переход на 380 В так и не состоялся, хотя в многоэтажках, построенных при позднем Горби такая одна такая розетка была, вроде как для микроволновки.
Поясним бытовым примером. Есть потребители энергии - два электрических утюга мощностью 1,5 кВт (т. е. с точки зрения пользователя они одинаковы - греют одинаково сильно) для двух сетей - «старой» 127 В и «новой» 220 В соответственно. Для упрощения сеть считаем постоянного тока, хотя и на переменном также будет, если взять «правильные» значения мощности, тока и напряжения из «букета» возможных. От вводного щитка со счётчиком к утюгу идёт «ЛЭП» сопротивлением 1 Ом. Для 127 В протекающий на максимальном нагреве ток равен 1500 Вт / 127 В = 11,8 А (нехилая, кстати, проводка для такого антиквариата нужна), а сопротивление какой-нибудь нихромовой проволоки в утюге для этих условий будет 127 В / 11,8 А = 10,8 Ом. Т. е. где-то 1/12-я часть взятой из сети энергии уйдёт в нагрев проводки и ударит по карману: счётчик на щитке честно её учтёт. Для утюга на 220 В ток будет 6,8 А (тут типовая для некоторых домов 10-амперная проводка уже «нормуль», но для старых хибар с 6-амперной уже за гранью, советские утюги на 220 В были мощностью менее 1 кВт в т. ч. и по этой причине. Хозяин мощного импортного утюга с таким жилищем рисковал вышибанием пробок или перегоранием плавкого предохранителя или пожаром при использовании «жучка»). Сопротивление нагревательного элемента - уже 32 Ом, потери в «ЛЭП» составляют 1/33 от потреблённой энергии. А теперь смасштабируйте по качеству «проводки» и масштабам потерь на промышленные нужды. У Томилина про это всё очень хорошо изложено даже без формул, просто на словах.
С переменным током дело обстоит сложней, помимо ликбеза Томилина нужен хотя бы старый учебник по физике Ландсберга (новые лично не тестировал), но справедливо такое правило: чем длиннее ЛЭП, чем больше прокачиваемая по ней мощность, тем большее напряжение на ней используется во избежание ненужных тепловых потерь.
Но потребителям, даже промышленным, «напруга дальняя» в 110 кВ и выше не нужна - у них нет такого оборудования, которое бы с ней работало. Да и понижающие трансформаторы для неё громоздки, дОроги и для них требуется площадка, иной раз бОльшая, чем сам объект вроде свечного заводика, мечты отца Фёдора Вострикова.
Посему на больших ТЭС, ГЭС, АЭС в дорогу дальнюю отправляются высоковольтные ЛЭП переменного тока от 750 кВ и выше, на месте это напряжение на большИх трансформаторных подстанциях понижается до 330/220/110 кВ в зависимости от характера местного потребления, требующего ЛЭП средней длины. Ну а затем ещё одна ступень уже местных электросетей - с высокого напряжения (110 кВ и выше) трансформаторные подстанции понижают до среднего напряжения-1 (35 кВ и 27,5 кВ для ж/д тяги на переменном токе) и среднего напряжения-2 (10 и 6 кВ) - промышленные потребители, которые теперь могут использовать это «лепестричество» напрямую или уже на своих компактных комплектных трансформаторных подстанциях понизить его до всем знакомых 0,4 и 0,23 кВ. Для «бытовухи» эта операция делается в трансформаторных будках во дворах, деревнях, садовых товариществах и т. д. Для «нестандартных» пользователей постоянного тока - части ж/д тяги, метро, трамваев и троллейбусов трансформаторы на тяговых подстанциях понижают напряжение до 3 кВ, 800 В и 650 В соответственно, после чего подают ток на выпрямители.
Помимо собственно ТЭС вчера «откалибровали» среднюю ступень этой цепочки сети передачи и распределения электроэнергии где-то на уровне 330/110 кВ, из-за чего в 404 ряд мухосрансков и задрищенсков получили свою обесточку, вопли «а нас-то за що???» и «захид, где допомога???». За убитую малышку вчера в Макеевке, за обстрел Тёткино (на спиртозавод покусились, такое не прощают!), много за что другое. В общем, урок не выучен, предупреждение не возымело действия. Но сеть на то и сеть, что есть избыточность, СССР подарил укропам мощную энергетическую инфраструктуру (а начинал это дело ещё Государь Император Сан Саныч Третий), вчера где-то удалось переключиться на действующую электростанцию, где-то отремонтировать повреждения, в общем «электроны появились». Хотя можно и без кавычек, если добавить «упорядоченно движущиеся» в рамках классической теории Друде и если забыть квантовые заморочки физики твёрдого тела. Посему сегодня дорабатываем.
Трансформаторы 330/110 кВ вещь не такая уж ходовая, как и обвязка их распредустройств. Какой-то их запас у дтэковцев Ринатки и им подобных есть, посему какое-то время они смогут купировать последствия ударов, но вот потом всё. Почём такой товарчик в цэ эуроппе и той ли он ещё системы? Если взят курс на методическое разрушение энергосетевой инфраструктуры, то даже с целыми генерирующими мощностями итог очевиден: конец света. XVIII век. Облизывающийся голодный Alopex lagopus, который есть и хочет есть.
