Системный оператор единой энергетической системы. Стандарты напряжения в России Частотой 50 герц и напряжением

Питающее напряжение 220 В однофазное и 380 В трехфазное в РФ. 50Гц. Почему так. Жаргон электриков и здравый смысл.

Во первых почему питающее напряжение в электрических сетях пременное, а не постоянное ? Первые генераторы в конце 19-го века выдавали постоянное напряжение, пока кто-то (умный!) не сообразил, что производить переменное при генерации и выпрямлять при необходимости его в точках потребления проще, чем производить постоянное при генерации и рожать переменное в точках потребления.

Во вторых, почему 50 Гц ? Да просто у немцев так получилось, в начале 20 века. Нет тут особого смысла. В США и некоторых других странах 60 Гц. ()

В третьих, почему передающие сети (линии электропередач) имеют очень высокое напряжение ? Тут смысл есть, если вспомнить , то: потери мощности при транспортирове равны d(P)=I 2 *R, а полная передаваемая мощность равна P=I*U. Доля потерь от общей мощности выражается как d(P)/P=I*R/U. Минимальная доля потерь общей мощности, т.о. будет при максимальном напряжении. Трёхфазные сети, передающие большие мощности, имеют следующие классы напряжения:

• от 1000 кВ и выше (1150 кВ, 1500 кВ) - ультравысокий
• 1000 кВ, 500 кВ, 330 кВ - сверхвысокий
• 220 кВ, 110 кВ - ВН, высокое напряжение
• 35 кВ - СН-1, среднее первое напряжение
• 20 кВ, 10 кВ, 6 кВ, 1 кВ - СН-2, среднее второе напряжение
• 0,4 кВ, 220 В, 110 В и ниже - НН, низкое напряжение.

В четвертых: что такое номинальное обозначение В="Вольт" (А="Ампер") в цепях переменного напряжения (тока) ? Это действующее=эффективное=среднеквадратическое= среднеквадратичное значение напряжения (тока) , т.е. такое значение постоянного напряжения (тока) , которое даст такую-же тепловую мощность на аналогичном сопротивлении. Показывающие вольтметры и амперметры дают именно это значение. Максимальные амплитудные значения (например с осцилографа) по модулю всегда выше действующего.

В пятых, почему в в сетях потребителей напряжение ниже? Тут смысл тоже есть. Практически допустимые напряжения определялись доступными изоляционными материалами и их электрической прочностью . А потом уже ничего было не поменять.

Что такое "трехфазное напряжение 380 В и однофазное напряжение 220 В" ? Тут внимание. Строго говоря, в большинстве случаев (но не во всех) под трехфазной бытовой сетью в РФ понимают сеть 220/380В (изредка встречаются бытовые сети 127/220 В и промышленные 380/660 В!!!). Неправильные, но встречающиеся обозначения: 380/220В;220/127 В; 660/380 В!!! Итак, далее говорим об обычной сети 220/380Вольт, для работы с остальными - лучше бы Вам быть электриком. Итак для такой сети:

• Наша домашняя (РФ, да и СНГ...) сеть 220/380В-50Гц, в Европе 230/400В-50Гц (240/420В-50Гц в Италии и Испании), в США - частота 60Гц, а номиналы вообще другие
• К Вам придет как минимум 4 провода: 3 линейных ("фазы") и один нейтральный (вовсе не обязательно с нулевым потенциалом!!!)-если у Вас только 3 линейных провода, лучше зовите инженера-электрика.
• 220В - это действующее напряжение между любой из "фаз"=линейный провод и нейтралью (фазное напряжение).Нейтраль - это не ноль!
• 380В - это действующее значение между любыми двумя "фазами"=линейными проводами (линейное напряжение)

Проект DPVA.info предупреждает: если Вы не имеете представления о мерах безопасности при работе с электроустановками (см. ПУЭ), лучше сами и не начинайте.

• Нейтраль (всех видов) не обязательно имеет нулевой потенциал. Качество питающего напряжения на практике не соответствует никаким стандартам, а должно бы соответствовать ГОСТ 13109-97 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" (никто не виноват...)
• Защитные автоматы (тепловые и КЗ) защищают цепь от перегрузки и пожара, а не Вас от удара током
• Заземление вовсе не обязательно имеет низкое сопротивление (т.е. спасает от удара током).
• Точки с нулевым потенциалом могут иметь бесконечно большое сопротивление.
• УЗО установленное в подающем щите не защищает никого, кто получает удар током из гальванически развязанной цепи, запитанной от этого щита .

«Каким должно быть напряжение в розетке домашней электросети?» – на этот вопрос большинство ошибочно ответит: «220 Вольт». Не многие знают, что введённый в 2015 году ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009) устанавливает на территории Российской Федерации величину стандартного бытового напряжения не 220 В, а 230 В. В данной статье мы сделаем небольшой экскурс в историю электрического напряжения в России и выясним с чем связан переход к новой норме.

В СССР вплоть до 60-х годов XX века эталоном бытового напряжения считались 127 В. Это значение обязано своим появлением талантливому инженеру русско-польского происхождения Михаилу Доливо-Добровоольскому, разработавшему в конце XIX века трёхфазную систему передачи и распределения переменного тока, отличную от ранее предложенной Николой Тесла – двухфазной. Изначально в трехфазной системе Добровольского линейное напряжение (между двумя фазными проводниками) составляло 220 В. Фазное напряжение (между нейтральным и фазным проводником), которое мы используем в бытовых целях, меньше линейного на «корень из трёх» – соответственно для данного случая получаем указанные 127 В:

Дальнейшие развитие электротехники и появление новых электроизоляционных материалов привели к повышению указанных значений: сначала в Германии, а затем и во всей Европе был принят стандарт 380 В – для линейного напряжения и 220 В – для фазного (бытового). Сделано это было с целью экономии – при росте напряжения (с сохранением установленной мощности) в цепи снижается сила тока, что позволило использовать проводники с меньшей площадью сечения и сократить потери в кабельных линиях.

В Советском Союзе, несмотря на наличие прогрессивного стандарта 220/380 В, при реализации плана массовой электрификации, строили сети переменного тока преимущественно по устаревшей методике – на 127/220 В. Первые попытки перейти на напряжение европейского образца были предприняты в нашей стране ещё в 30-х годах XX века. Однако массовый переход был начат лишь в послевоенное время, его причиной стала возрастающая нагрузка на энергосистему, которая поставила инженеров перед выбором – либо увеличивать толщину кабельных линий, либо повышать номинальное напряжение. В итоге остановились на втором варианте. Определённую роль в этом сыграл не только фактор экономии материалов, но и привлечение к работе немецких специалистов, имевших прикладной опыт использования электрической энергии с напряжением 220/380 В.

Переход растянулся на десятилетия: новые подстанции строили уже под номинал 220/380 В, а большинство старых переводили лишь после плановой замены отслуживших свой срок трансформаторов. Поэтому в СССР долгое время параллельно сосуществовали два стандарта для сетей общего пользования – 127/220 В и 220/380 В. Окончательное переключение на 220 В некоторых однофазных потребителей, по свидетельствам очевидцев, произошло только в конце 80-х - начале 90-х годов.

Потребление электрического тока постоянно росло и в конце ХХ века в Европе было принято решение о дальнейшем увеличении номинальных напряжений в трехфазной системе переменного тока: линейного с 380 В до 400 В и, как следствие, фазного с 220 В до 230 В. Это позволило повысить пропускную способность существующих цепей питания и избежать массовой прокладки новых кабельных линий.

В целях унификации параметров электрических сетей новые общеевропейские стандарты были предложены Международной электротехнической комиссией и другим странам мира. Российская Федерация согласилась их принять и разработала ГОСТ 29322-92, предписывающий электроснабжающим организациям перейти на 230 В к 2003 году. ГОСТ 29322-2014, как уже выше упоминалось, устанавливает значение номинального напряжения между фазой и нейтралью в трехфазной четырехпроводной или трехпроводной системе равным 230 В, однако допускает применение и систем с 220 В.

Стоит отметить, что не все страны перешли на общий стандарт напряжения. Например, в США установленное напряжение однофазной бытовой сети – 120 В, при этом к большинству жилых домов подводятся не фаза и нейтраль, а нейтраль и две фазы, позволяющие в случае необходимости запитать мощных потребителей линейным напряжением. Кроме того, в Соединённых Штатах отлична и частота – 60 Гц, в то время как общеевропейский стандарт – 50 Гц.

Вернёмся к отечественным электросетям. Пятипроцентное изменение их номинала не должно сказаться на функционировании привычных бытовых электроприборов, так как они имеют определённый диапазон допустимых значений питающего напряжения. Обе величины – 220 и 230 В, в большинстве случаев, входят в этот диапазон. Однако определённые трудности при переходе на европейские стандарты всё-таки могут возникнуть. Они, в первую очередь, коснутся работы осветительного оборудования с лампами накаливания, рассчитанными на 220 В. Увеличение входного напряжения вызовет перенакал вольфрамовой нити, что негативно скажется на её долговечности – такие лампы будут чаще перегорать. Поэтому покупателям следует быть внимательнее и выбирать электролампы, допускающие включение в сеть 230 В (номинальное напряжение обычно указывается в маркировке прибора).

В заключение следует сказать, что различные нештатные ситуации, возникающие в отечественных электросетях (резкие перепады напряжения или прекращение подачи электричества), представляют для электрооборудования намного большую опасность, чем плановый переход на европейские стандарты электропитания. Кроме того, энергоснабжающие компании часто не соблюдают требования к качеству электроэнергии, допуская сильные отклонения от установленных номинальных значений.

Защитить современную технику от пагубных влияний различных сетевых колебаний могут специальные устройства – стабилизаторы напряжения и источники бесперебойного питания. Группа компаний «Штиль» выпускает данное оборудование с различными значения выходного напряжения: 220 В, 230 В или 240 В.

Почему по сей день в энергетической отрасли для передачи и распределения электроэнергии всюду выбраны и остаются принятыми частоты 50 и 60 Гц? Вы когда-нибудь задумывались об этом? А ведь это совсем не случайно.

В странах Европы и СНГ принят стандарт 220-240 вольт 50 герц, в североамериканских странах и в США — 110-120 вольт 60 Гц, а в Бразилии 120, 127 и 220 вольт 60 Гц. Кстати, непосредственно в США в розетке порой может оказаться, скажем, 57 или 54 Гц. Откуда эти цифры?

Давайте обратимся к истории, чтобы разобраться в данной теме. Во второй половине 20 столетия ученые многих стран мира активно изучали электричество и искали ему практическое применение. Томас Эдисон изобрел свою первую лампочку, внедрив тем самым электрическое освещение. Возводились первые электростанции постоянного тока. Начало электрификации в США.

Первые лампы были дуговыми, они светились электрическим разрядом, горящим на открытом воздухе, зажигаемым между двумя угольными электродами. Экспериментаторы того времени довольно быстро установили, что именно при 45 вольтах дуга становится более устойчивой, однако для безопасного зажигания, последовательно с лампой подключали резистивный балласт, на котором падало в процессе работы лампы около 20 вольт.

Так, долгое время применялось постоянное напряжение 65 вольт. Затем его повысили до 110 вольт, чтобы можно было последовательно включить в сеть сразу две дуговые лампы.

Эдисон был фанатичным сторонником систем постоянного тока, и генераторы постоянного тока Эдисона поначалу так и работали, подавая в потребительские сети 110 вольт постоянного напряжения.

Но технология постоянного тока Эдисона была очень-очень затратной, экономически не выгодной: нужно было прокладывать много толстых проводов, да и передача от электростанции до потребителя не превышала расстояния в несколько сотен метров, поскольку потери при передаче были огромны.

Позже была введена трехпроводная система постоянного тока на 220 вольт (две параллельные линии по 110 вольт), однако существенно положение относительно экономичности такой передачи не улучшилось.

Позже разработал свои, совершенно новаторские генераторы переменного тока, и внедрил экономически более эффективную систему передачи электроэнергии при высоком напряжении в несколько тысяч вольт, и электроэнергию можно стало передавать на тысячи метров, потери при передаче снизились в десятки раз. Постоянный ток Эдисона не выдержал конкуренции с переменным током Тесла.

Трансформаторы на железе понижали высокое напряжение до 127 вольт на каждой из трех фаз, подавая его потребителю в виде переменного тока. При работе генераторов переменного тока, приводимых в движение паром или падающей водой, роторы их вращались с частотой от 3000 оборотов в минуту и даже больше.

Это позволяло лампам не мерцать, асинхронным двигателям нормально работать, выдерживая номинальные обороты, а трансформаторам — преобразовывать электричество, повышать и понижать напряжение.

Между тем, в СССР напряжение сетей до 60-х годов оставалось на уровне 127 вольт, затем с ростом производственных мощностей его подняли до привычных нам теперь 220 вольт.

Доливо-Добровольский, так же как и Тесла, исследовавший возможности переменного тока, предложил использовать для передачи электроэнергии именно синусоидальный ток, а частоту предложил установить в пределах от 30 до 40 герц. Позже сошлись на 50 герцах в СССР и на 60 герцах — в США. Эти частоты были оптимальными для оборудования переменного тока, во всю работавшего на многих заводах.

Частота вращения двухполюсного генератора переменного тока составляет 3000 либо максимум 3600 оборотов в минуту, и дает как раз частоты 50 и 60 Гц при генерации. Для нормальной работы генератора переменного тока, частота должна быть не менее 50-60 Гц. Промышленные трансформаторы без проблем преобразуют переменный ток данной частоты.

Сегодня принципиально можно повысить частоту передачи электроэнергии до многих килогерц, и сэкономить таким образом на материалах проводников в ЛЭП, однако инфраструктура остается приспособленной именно для тока частотой 50 Гц, она была так спроектирована изначально по всему миру, генераторы на атомных электростанциях вращаются с все той же частотой 3000 оборотов в минуту, имеют всё ту же пару полюсов. Поэтому модификация систем генерации, передачи и распределения электроэнергии - вопрос отдаленного будущего. Вот почему 220 вольт 50 герц остаются у нас пока стандартом.

Андрей Повный

Толчок в развитии электричества пришелся на вторую половину XIX века. Именно в это время ученые сделали ряд открытий в этой области, которые позволили найти электричеству практическое применение. Тома Эдиссон изобрел первую электрическую лампочку и, пообещав всем очень дешевое освещение, принялся за строительство электростанций.

Первые лампы были дуговые, в них разряд происходил на открытом воздухе между двумя угольными стержнями. В это время эмпирически было установлено, что наиболее подходящим для горения дуги является напряжение 45 В. Чтобы уменьшить токи короткого замыкания, которые возникали в момент зажигания ламп (при соприкосновении углей), и для более устойчивого горения дуги включали последовательно с дуговой лампой балластный резистор. Так же было найдено, что сопротивление балластного резистора должно быть таким, чтобы падение напряжения на нем при нормальной работе составляло примерно 20 В. Таким образом, общее напряжение в установках постоянного тока сначала составляло 65 В, и это напряжение применялось долгое время. Однако часто в одну цепь включали последовательно две дуговые лампы, для работы которых требовалось 2x45 = 90 В, а если к этому напряжению прибавить еще 20 В, приходящиеся на сопротивление балластного резистора, то получится напряжение 110 В.

Ошибка Томаса Эдиссона была в том, что он для выработки тока использовал генераторы постоянного тока, и пытался передавать по проводам постоянный ток. Радиус электроснабжения не превышал нескольких сотен метров и имел громадные потери. Попытки расширить границы района электроснабжения привели к рождению так называемой трехпроводной системы постоянного тока (110x2=220 В).

Одновременно Никола Тесла вел разработку и внедрение генераторов и систем переменного тока. Применение переменного тока напряжением в несколько тысяч Вольт позволило упростить и удешевить электрическую сеть и увеличить радиус электроснабжения (более 2 км при потере до 3 % напряжения в магистральных проводах вместо 17-20 % в сетях постоянного тока). А при на выходе к потребителям через трансформаторы напряжение понижалось до 127 вольт (3 фазы= 220 вольт, 1 фаза= 127 вольт по формуле √220/3).

Так продолжалось до 60-x годов прошлого века и в СССР, пока колличество электроприборов не обогнало колличество на селения. Чтобы как-то снизить нагрузку нужно было или утолщать провода в кабельных линиях или увеличить напряжение (I=U/R). Выбрали меньшее из зол и увеличили напряжение в сети до тех же 220 вольт только на каждую фазу.

Русский ученый Доливо-Добровольский первым предложил разложить ток на активную и пассивную состовляющие и рекомендовал принять в качестве основной формы кривой тока синусоиду. В отношении частоты тока он высказался за 30-40 Гц. Позднее в результате критического отбора получили применение лишь две частоты промышленного тока: 60 Гц в Америке и 50 Гц в других странах. Эти частоты оказались оптимальными, ибо повышение частоты ведет к чрезмерному возрастанию скоростей вращения электрических машин (при том же числе полюсов), а снижение частоты неблагоприятно сказывается на равномерности освещения.

Вот поэтому у нас в розетках 220 В 50 Гц

Под этим термином "переменный электрический ток" следовало бы понимать ток, изменяющийся во времени любым образом, соответственно введенному в математику понятию "переменная величина". Однако в электротехнику термин "переменный электрический ток" вошел в значении электрического тока, вменяющегося по направлению (в противовес ), а следовательно, и по величине, так как физически нельзя представлять себе изменения электрического тока по направлению без соответствующих изменений по величине.

Движение электронов в проводе сначала в одну сторону, а затем в другую называют одним колебанием переменного тока. За первым колебанием следует второе, затем третье и т. д. При колебаниях тока в проводе вокруг него происходит соответствующее колебание магнитного поля.

Время одного колебания называют периодом и обозначают буквой Т. Период выражают в секундах или в единицах, составляющих доли секунды. К ним относятся: тысячная доля секунды - миллисекунда (мс), равная 10 -3 с, миллионная доля секунды - микросекунда (мкс), равная 10 -6 с, и миллиардная доля секунды - наносекунда (нс), равная 10 -9 с.

Важной величиной, характеризующей , является частота. Она представляет собой число колебаний или число периодов в секунду и обозначается буквой f или F. Единицей частоты служит герц, названный в честь немецкого ученого Г. Герца и обозначаемый сокращенно буквами Гц (или Hz). Если в одну секунду происходит одно полное колебание, то частота равна одному герцу. Когда в течение секунды совершается десять колебаний, то частота составляет 10 Гц. Частота и период являются обратными величинами:

и

При частоте 10 Гц период равен 0,1 с. А если период равен 0,01 с, то частота составляет 100 Гц.

Частота - важнейшая характеристика переменного тока. Электрические машины и аппараты переменного тока могут нормально работать только на той частоте, на которую они рассчитаны. Параллельная работа электрических генераторов и станций на общую сеть возможна только на одной и той же частоте. Поэтому во всех странах частота переменного тока, производимого электростанциями, стандартизуется законом.

В электрической сети переменного тока частота равна 50 Гц. Ток пятьдесят раз в секунду идет в одну сторону и пятьдесят раз в обратную. Сто раз в секунду он достигает амплитудного значения и сто раз становится равным нулю, т. е. сто раз меняет свое направление при переходе через нулевое значение. Лампы, включенные в сеть, сто раз в секунду притухают и столько же раз вспыхивают ярче, но глаз этого не замечает, благодаря зрительной инерции, т. е. способности сохранять полученные впечатления около 0,1 с.

При расчетах с переменными токами пользуются также угловой частотой, она равна 2пиf или 6,28f. Ее следует выражать не в герцах, а в радианах в секунду.

При принятой частоте промышленного тока 50 гц максимально возможное число оборотов генератора - 50 об/сек (р = 1). На такое число оборотов строятся турбогенераторы, т. е. генераторы, приводимые паровыми турбинами. Число оборотов гидротурбин и приводимых ими гидрогенераторов зависит от природных условий (прежде всего от напора) и колеблется в широких пределах, снижаясь иногда до 0,35 - 0,50 об/сек.

Число оборотов оказывает большое влияние на экономические показатели машины - габаритные размеры и вес. Гидрогенераторы с несколькими оборотами в секунду имеют наружный диаметр в 3 - 5 раз больший и вес во много раз больший, чем турбогенераторы той же мощности с n = 50 об/сек. В современных генераторах переменного тока вращается их магнитная система, а проводники, в которых индуктируется э.д.с, размещаются в неподвижной части машины.

Переменные токи принято разделять по частоте. Токи с частотой меньше 10000 Гц называют токами низкой частоты (токами НЧ). У этих токов частота соответствует частоте различных звуков человеческого голоса или музыкальных инструментов, и поэтому они иначе называются токами звуковой частоты (за исключением токов с частотой ниже 20 Гц, которые не соответствуют звуковым частотам). В радиотехнике токи НЧ имеют большое применение, особенно в радиотелефонной передаче.

Однако главную роль в радиосвязи выполняют переменные токи с частотой более 10000 Гц, называемые токами высокой частоты, или радиочастоты (токи ВЧ). Для измерения частоты этих токов применяют единицы: килогерц (кГц), равный тысяче герц, мегагерц (МГц), равный миллиону герц, и гигагерц (ГГц), равный миллиарду герц. Иначе килогерц, мегагерц и гигагерц обозначают kHz, MHz, GHz. Токи частотой в сотни мегагерц и выше называют токами сверхвысокой или ультравысокой частоты (СВЧ и УВЧ).

Радиостанции работают с помощью переменных токов ВЧ, имеющих частоту от сотен килогерц и выше. В современной радиотехнике для специальных целей применяются токи с частотой в миллиарды герц и имеются приборы, позволяющие точно измерять такие сверхвысокие частоты.