Виктор Александрович Барановский, Евгений Анатольевич Банников
Электричество дома и на даче
Введение
Источниками электроэнергии являются электростанции, которые способны преобразовывать разные виды энергии в электрическую. По типам используемой энергии электростанции подразделяют на тепловые, атомные и гидроэлектростанции.
В тепловых электростанциях сжигаются уголь, нефть или природный газ. Получаемое при этом тепло превращает находящуюся в котлах воду в пар, который, в свою очередь, приводит во вращение роторы генераторов. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую.
На атомных электростанциях процесс преобразования энергии пара в механическую, а затем в электрическую энергию аналогичен. Отличие лишь в том, что на атомных станциях топливом служат радиоактивные элементы, выделяющие тепло в ходе реакции распада.
На гидроэлектростанциях в электрическую энергию превращается энергия движущейся воды.
Существуют также ветряные и гелиоэлектростанции, геотермальные, приливные и др. (в электрическую энергию преобразуются движущиеся потоки воздуха, солнечное тепло и тепло подземных вод либо энергия морских приливов и отливов).
Тепловые электростанции подразделяют на конденсационные и теплофикационные.
На конденсационных электростанциях тепловая энергия полностью преобразуется в электрическую.
На теплофикационных электростанциях (их еще называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ)) тепловая энергия превращается в электрическую только частично, а в основном расходуется на снабжение предприятий и жилых домов паром и горячей водой. ТЭЦ сооружаются вблизи потребителей тепловой энергии. Конденсационные паротурбинные электростанции, как правило, строят у места добычи угля, торфа или горючих сланцев.
При строительстве гидроэлектростанций параллельно решаются задачи улучшения судоходства рек, орошения засушливых земель, водоснабжения и др.
В районах, где нет запасов топлива и рек с достаточными гидроэнергетическими ресурсами, вполне целесообразно сооружать атомные электростанции (АЭС). АЭС работают на ядерном топливе, которое потребляют в незначительном количестве.
Выработанная на станциях электроэнергия передается потребителям по линиям высокого напряжения (110 кВ и выше) через повышающие трансформаторные подстанции.
Для рационального распределения нагрузки между электростанциями, эффективного использования их мощностей, повышения надежности снабжения потребителей и отпуска им электрической энергии с оптимальными показателями по частоте и напряжению практикуется параллельная работа электростанций на общую электрическую сеть региональной энергетической системы, в состав которой входят электростанции, линии электропередачи, сетевые трансформаторные подстанции и тепловые сети, связанные общим режимом производства и распределения электрической и тепловой энергии. Многие такие системы объединяются в общую электрическую сеть и образуют крупные энергосистемы республик, краев и т. д.
Электрические сети служат для передачи и распределения электрической энергии от электростанций к потребителю и состоят из распределительных устройств (РУ) и воздушных или кабельных линий различного напряжения. Центром питания (ЦП) является распределительное устройство генераторного напряжения электростанции или РУ вторичного напряжения понижающей подстанции энергосистемы данного района.
Различают электрические сети постоянного и переменного тока. К сетям постоянного тока относятся сети электрифицированных железных дорог, метрополитена, трамвая, троллейбуса, некоторые сети химических, металлургических и других предприятий. Снабжение всех остальных объектов промышленности, сельского хозяйства, коммунального и бытового назначения ведется трехфазным переменным током частотой 50 Гц.
Электрическую энергию напряжением 6000, 10 000, 20 000 В вырабатывают турбодефис и гидрогенераторы. Передавать на большие расстояния электрическую энергию такого напряжения экономически нецелесообразно из-за значительных потерь. Поэтому на повышающих трансформаторных подстанциях, сооружаемых при электростанциях, ее повышают до 110, 220 и 500 кВ, а перед поступлением к потребителям на понижающих трансформаторных подстанциях понижают до 35, 10 и 6 кВ.
Снабжение электроэнергией промышленных предприятий и городов производится через РУ и подстанции, максимально приближенные к потребителям.
РУ служит для приема и распределения электрической энергии и содержит коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, вспомогательные устройства (компрессорные, аккумуляторные и др.), устройства защиты, автоматики, измерительные приборы.
РУ бывают открытыми (ОРУ) (основное оборудование расположено на открытом воздухе) и закрытыми (ЭРУ) (оборудование располагают в помещении).
Электроустановка, служащая для преобразования и распределения электрической энергии, называется подстанцией и состоит из трансформаторов или других преобразователей энергии, РУ, устройств управления и вспомогательных сооружений. В зависимости от того, преобладают на ней трансформаторы или другие преобразователи энергии, подстанции называют трансформаторными (ТП) или преобразовательными.
Устройство, не входящее в состав подстанции и предназначенное для приема и распределения электрической энергии на одном напряжении без преобразования и трансформации, называют распределительным пунктом (РП).
Качество электрической энергии характеризуется постоянством частоты и стабильностью напряжения в пределах установленных норм. Частота задается электростанциями для всей энергосистемы в целом.
В зависимости от конфигурации сети уровень напряжения изменяется по мере приближения к потребителю, условий загрузки оборудования и расхода электрической энергии. Напряжения электросетей и электрооборудования стандартизованы.
История электрификации
В «Истории физики» Ф. Розенбергера 1890 года издания написано: «человек непосредственно слышит, говорит и осязает на самых далеких расстояниях, безошибочно развивает на этих расстояниях большие силы и производит тяжелые работы… электричество конкурирует со столь родственным ему светом и дает человеку основания надеяться, что он, в конце концов, может приблизиться к земному вездесущию». Эта мысль была сформулирована, когда механизацию представляли паровые машины, не было радио и телевидения, рентгеновских лучей. Тем не менее, дальнейший научно-технический прогресс связывали с электричеством, хотя многие уже тогда понимали, что абсолютных благ в природе не бывает и электричество – не исключение из этого правила.
Первым аргумент о вреде электричества в конкурентной борьбе за рынок сбыта этого самого электричества использовал Томас Альва Эдисон, который изобрел и сконструировал лампу накаливания, цоколи и патроны для лампочек, штепсельные розетки, выключатели, распределительные коробки, плавкие предохранители и рубильники. Он решил электрифицировать Нью-Йорк с помощью одной станции вместо установки динамо-машин с механическим приводом в каждом доме. В виде опыта центральную станцию сначала построили для одного небольшого района города: она давала постоянный ток напряжением 200 В для тысяч лампочек, обеспечивала энергией десятки пассажирских лифтов, сотни подъемников в домах.
Однако теория не воплощается в практику легко. Выяснилось, что передача тока при таком напряжении требует большого сечения кабелей и, стало быть, много меди для проводов, а потери в них были заметными. Из этого следовало, что в крупном городе нужно строить несколько станций, а городская земля стоит дорого, подвоз топлива к каждой станции стоит еще дороже и т. д. Тогда агенты Д. Вестингауза, который искал приложения миллионам долларов, полученным после изобретения воздушного тормоза для железнодорожных составов, скупили все американские патенты, связанные с переменным током, и Вестингауз начал строить большие электростанции за городом на дешевой земле, подавать электричество по высоковольтным линиям и, соответственно, продавать электроэнергию дешевле, чем это делал Эдисон.
В результате Эдисон оказался в очень сложном положении, так как собственных патентов на переменный ток у него не было. Тогда он заявил, что подавать в городские подземные кабели переменный ток – это все равно, что заливать под жилье нитроглицерин. Переменный ток подобен горной реке, низвергающейся в пропасть и сметающей на своем пути все живое, и вообще противен божественной природе человека. В последнем, кстати, Эдисон был прав, если иметь в виду ток достаточной силы.
В коридорах власти у Эдисона друзей было предостаточно, так что он без труда внес в сенат Вирджинии проект закона о запрещении переменного тока напряжением выше 200 В на территории этого штата, являвшегося оплотом рабовладельцев.
Эдисон произнес страстную речь и почти убедил вирджинских законодателей запретить переменный ток, но на заседании сената выступил нанятый Вестингаузом капитан Гарден, ветеран Гражданской войны, любимец генерала Ли, командующего южан. Кроме того, сенат заседал в столице штата – Ричмонде, где капитана знали и уважали. Гарден говорил так же страстно, как Эдисон, а завершил речь словами: «Заверяю вас, джентльмены, что даже ядра пушек северян, которые мы ни во что не ставили, куда опаснее переменного тока!». Этот аргумент провалил законопроект Эдисона.
Любопытная подробность: провода постоянного тока эдисоновских станций собирали на себя пыль, которая пачкала все кругом, а провода, по которым шел переменный ток, не имели этой особенности. Однако Эдисон не сдавался. Он отправил по стране человека, который с помощью переносного трансформатора убивал бродячих кошек и собак, демонстрируя смертельную опасность переменного тока. В результате переменным током заинтересовалось федеральное правительство, которое переманило к себе агента Эдисона, попросив установить в нью-йоркской тюрьме Синг-Синг трансформатор мощностью побольше, чтобы хватало для убийства человека. Испытания прошли успешно, и законодательное собрание штата Нью-Йорк приняло закон о замене смертной казни через повешение умерщвлением на электрическом стуле.
Опасности электричества: настоящие, мнимые и неизученные
Разговоры о вредном воздействии электромагнитных полей (ЭМП) начались в конце 20-х годов, когда появилась техника, работающая на сравнительно сильных токах в диапазоне высоких частот (ВЧ). А после войны всерьез занялись изучением биологического воздействия радаров, ВЧ-, УВЧ– и СВЧ-приборов. Все внимание было направлено на тепловое воздействие ультрадефис и сверхвысоких частот. Тепловая модель воздействия исходила из возможности недопустимого перегрева человеческого организма или отдельных органов в зоне действия ЭМП (эффект «человека в микроволновой печи»).
Если говорить о сравнительно низких частотах (от 50 Гц до сотен кГц), то общепринятая точка зрения была такова: плотность тока, наведенного в биологических тканях переменными магнитным и электрическим полями, должна быть существенно ниже плотности биотоков, текущих в живых тканях. Перегрев (как при СВЧ) был исключен. Все остальные эффекты, которые время от времени наблюдались, относили к артефактам – процессам, иногда возникающим при исследовании организма вследствие воздействия или обработки и в норме не свойственным ему.
Для возможного биологического действия постоянного ЭМП делали послабление и допускали, что постоянное электрическое поле оказывает какое-то действие на живые клетки, но напрочь отказывали в этом постоянному магнитному полю. Это аргументировали тем, что энергия взаимодействия магнитного поля с биологическими молекулами на несколько порядков меньше энергии теплового движения молекул.
Сегодня это мнение вызывает улыбку. Справедливости ради надо сказать, что идею воздействия слабых полей на организм в известной мере дискредитировали некоторые опубликованные в литературе данные магнитобиологических экспериментов, постановка которых не выдерживала критики.
В 1970-е годы специалисты вернулись к эффектам слабых и очень слабых магнитных и электрических полей на модельные физико-химические системы, биологические объекты и организм человека. Механизмы, вызывающие эти эффекты, «работают» на уровне молекул, а порой атомов, вследствие чего очень трудноуловимы. Тем не менее ученые экспериментально продемонстрировали и теоретически объяснили магнитные и спиновые эффекты. Выяснилось, что хотя энергия магнитного взаимодействия на несколько порядков меньше энергии теплового движения, но на той стадии реакции, где собственно все и происходит, тепловое движение не успевает помешать действию магнитного поля.
Это открытие заставляет по-новому взглянуть и на сам феномен жизни на Земле, которая возникла и развивалась в условиях геомагнитного поля. В лаборатории было показано влияние сравнительно слабых (на порядок-два выше геомагнитного) постоянных и переменных магнитных полей на выход первичной реакции фотосинтеза – фундамента всей экосистемы нашей планеты. Это влияние оказалось небольшим (меньше процента), но важно другое: доказательство его реального существования.
Второе важное открытие – наличие так называемых «окон чувствительности» живых и модельных физико-химических объектов на частоту и величину полей. В 1985 г впервые было установлено, что частоты «окон чувствительности» биологических объектов совпадают с циклотронными частотами в данном постоянном магнитном поле ионов ключевых молекул в тех или иных биохимических реакциях. Явление получило название биологического циклотронного резонанса.
Эксперименты показали, что эффект, производимый на циклотронной частоте переменным магнитным полем, определяется величиной его проекции на направление постоянного магнитного поля. Если направления полей перпендикулярны, то эффекты отсутствуют.
При малой величине постоянного магнитного поля биологический циклотронный резонанс может проявляться на низких частотах. Так, в геомагнитном поле Новосибирска и Якутска частота циклотронного резонанса близка к 50 Гц, т. е. к частоте переменного тока в сети. А для геомагнитного поля Москвы она ниже. В железобетонных домах частота циклотронного резонанса искажена.
Что все это означает на практике, в быту? Мы гладим электрическим утюгом и в те моменты, когда положение утюга и магнитного поля Земли создают положение, при котором ионы кальция в наших клетках приходят в состояние магнитного резонанса. Попросту говоря, начинают вести себя в клетках не так, как должны. Хорошо это или плохо, рассмотрим чуть позже, а сейчас обратим внимание на другое.
Телевизор, электрическая плита, стиральная машина, компьютер и остальные бытовые электроприборы, окружающие нас, при определенном положении относительно нашего тела (или нашего тела относительно приборов) могут влиять на электрохимические процессы, протекающие в клетках организма.
Это обстоятельство объясняет сложность изучения влияния слабых полей на живые организмы. Достаточно переставить стол с экспериментальной установкой, поменять ее ориентацию в пространстве, как опыты переставали получаться. В других лабораториях, где пытались повторить эксперименты, опубликованные в солидных журналах, сразу могло ничего не получиться! Тут не долго до обвинений коллег в шарлатанстве или научном подлоге.
Но читателя интересуют не проблемы ученых, а вопрос: хорошо или плохо жить при повышенном фоне электромагнитных полей?
Эволюционно все живое на Земле не приспособлено к быстрому повышению или резким колебаниям окружающих нас ЭМП. Возьмем для примера радиацию. Человек приспособился переживать громадные температурные скачки, невероятные уровни химического загрязнения окружающей среды, но против повышения радиоактивного фона у него защиты нет. У нас нет эволюционно сложившихся механизмов противодействия ионизирующей радиации. Нет у нас и механизмов нейтрализации электрических и магнитных полей, имеющих другие характеристики, нежели природные.
Как биологический вид человек до последнего времени существовал в условиях небольшого магнитного поля и в еще меньших по величине низкочастотных электромагнитных полях, основными источниками которых являются ближние и дальние электромагнитные импульсы, обусловленные грозами, и возмущения, возникающие в магнитосфере Земли при вторжениях в нее солнечной плазмы.