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.

«Современное человечество, как и все живое, обитает в своеобразном электромагнитном океане, поведение которого определяется теперь не только естественными причинами, но и искусственным вмешательством. Нам нужны опытные лоцманы, досконально знающие скрытые течения этого океана, его отмели и острова. И требуются еще более строгие навигационные правила, помогающие оберегать путников от электромагнитных бурь», – так образно описал нынешнюю ситуацию один из первопроходцев отечественной магнитобиологии Ю.А. Холодов. Тем не менее кое-какие правила жизни в окружении телевизоров, утюгов, стиральных машин, персональных компьютеров, пейджеров и мобильных телефонов уже существуют. О них и поговорим.

В соответствии с международной классификацией источники электромагнитных полей (ЭМП) делят на две группы: от 0 до 3 кГц и от 3 кГц до 300 ГГц. В первую группу включают ЭМП в интервале частот от нуля до нескольких сотен тысяч Гц – поля воздушных и кабельных линий электропередач, длинноволновых радиотрансляционных центров, электрифицированного транспорта и бытовой техники. Вторую группу составляют ЭМП высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот (0,3-30 триллионов Г) – системы сотовой связи, микроволновые печи и телевизионные передатчики.

Границы проектируемых в РФ санитарно-защитных зон ЛЭП до ближайшего жилья составляют для ЛЭП-750 не меньше 250 м, а для ЛЭП-1150 – 300 м. В некоторых странах с высокой плотностью населения жилые дома расположены даже под ЛЭП.

Считается, что основное воздействие обусловлено электрическим полем ЛЭП переменного тока, индуцирующим в теле человека ток смещения (емкостной). У нас допускается постоянное пребывание людей в поле напряженности меньше 0,5 кВ/м. При напряженности поля в 2-4 раза выше и частоте 50 Гц ток смещения не превышает полтора-трех десятков микроампер и у человека не будет возникать никаких неприятных ощущений. Но стоит прикоснуться к автомобилю, который стоит рядом с ЛЭП, и вас слегка «дернет». Металлическая крыша дома экранирует от переменного электрического поля только в том случае, если она заземлена. Неметаллическую крышу покрывают металлической сеткой и заземляют.

На проводах высоковольтных воздушных ЛЭП напряжение близко к порогу коронного разряда в воздухе. При ненастной погоде возникающий коронный разряд сбрасывает с ЛЭП переменного тока в атмосферу облака ионов разного знака, заряды которых не компенсируют друг друга. Даже вдали от ЛЭП электрическое поле, создаваемое ионным облаком на земной поверхности, может превышать естественное электрическое поле Земли и предельно допустимые уровни (ПДУ).

Американский исследователь Луиза Юнг предложила оригинальный способ демонстрации коронного разряда на ЛЭП. Если ночью подойти к ЛЭП с флуоресцентной лампой дневного света, то при наличии коронного разряда лампа начнет светиться сверхъестественным светом, причем при порывах ветра свет внутри лампы будет колебаться подобно пламени свечи.

Еще один источник электромагнитного загрязнения – длинноволновые радиопередающие центры. Когда-то их размещали в зонах жилой застройки. В 20-30-х годах прошлого века в московских домах, расположенных вокруг радиостанции имени Коминтерна, которая вещала на длине волны 2 км, можно было провести такой опыт. Если на рамку намотать около сотни витков проволоки и присоединить к концам лампочку от карманного фонарика, то она загоралась. Простой расчет показывает, что для этого напряженность магнитного поля должна составлять никак не меньше нескольких А/м. Сейчас во многих странах это предельно допустимый уровень для 8-часового рабочего дня.

Радиоволны большой длины «накрывают» большее пространство. Известно, что электрическую составляющую волны экранируют стены зданий, но магнитную они ослабляют мало.

В штате Мэн в свое время была развернута система радиосвязи с подводными лодками, находящимися в океане. Морская вода сильно поглощает радиоволны, но чем длина волны больше, тем поглощение меньше. По этой причине связь вели на частоте 15 Гц, т. е. на длине волны 20 тысяч км. Так как излучаемая антенной мощность пропорциональна кубу отношения ее размеров к длине волны, то антенны пришлось протянуть почти через весь штат.

Но местным жителям крупно повезло: в геомагнитном поле штата частоты биологического циклотронного резонанса (он тогда еще не был открыт) значимых для организма ионов заметно отличаются от 15 Гц. А вот жителям домов возле Октябрьского РПЦ Москвы повезло гораздо меньше. По данным Института медицины труда РАМН, часть домов оказалась в зоне ограничения застройки, где превышены ПДУ. Мало успокоительного можно сказать и жителям многих других домов в Москве, особенно расположенных вблизи Останкинского телецентра.

Проблему составляют ведомственные и частные РПЦ, которые в последние годы растут как грибы. На фоне РПЦ антенны базовых станций сотовой телефонной связи вносят незначительный вклад в электромагнитное загрязнение городских улиц.

Еще одна тема для разговора – транспорт на электроприводе, который служит источником электрических и магнитных полей в диапазоне частот от 0 до 1 кГц. Железнодорожный транспорт использует переменный ток, городской (троллейбусы, трамваи, метро) – постоянный. Средние значения магнитного поля в пригородных электропоездах составляют около 20 мкТл, на транспорте с приводом постоянного тока – около 30 мкТл. У трамваев, где рельсы являются обратным проводом, магнитные поля компенсируют друг друга на гораздо большем расстоянии, чем у проводов троллейбуса, внутри которого колебания магнитного поля невелики даже при разгоне. В этом отношении троллейбус экологичнее трамвая.

Среди транспортных средств на электрической энергии самые большие колебания магнитного поля наблюдаются в метро. На станции «Университет» при отправлении состава величина магнитного поля на платформе составляет 50-100 мкТл и больше, превышая геомагнитное поле, особенно его горизонтальную составляющую, и даже меняя направление. И даже когда поезд давно исчезал в тоннеле, магнитное поле никак не желало вернуться к прежнему значению. Лишь после того, как состав проходил следующую точку подключения к контактному рельсу или шел накатом, магнитное поле на платформе возвращалось к старому значению.

В самом вагоне метро магнитное поле еще выше – 150-200 мкТл, т. е. в 10 раз выше, чем в обычной наземной электричке.

Электромагнитные поля в наших домах можно условно разделить на две категории: поля электротехнического оборудования здания и поля бытовой техники внутри квартир.

Электрическое поле от внешнего электротехнического оборудования в жилых домах, которое создают силовые трансформаторы на лестнице, кабельные линии в подъезде и т. д., обычно невелико – 1?10 В/м, т. е. ниже ПДУ – 500 В/м. Но магнитное поле от него часто превышает магнитное ПДУ (0,2 мкТл). В каждом конкретном случае все зависит от планировки дома и квартиры.

Ощутимый вклад в переменное электрическое поле в помещении вносит внутренняя проводка, которая действует как антенна, излучающая на частоте 50 Гц. Так, бытовые выключатели однополюсные и разрывают цепь только одного провода. Следовательно, выключив настольную лампу, мы тем самым сводим к нулю и магнитное поле от соответствующего участка проводки. Но оно и так невелико, поскольку токи в двухжильном проводе текут в противоположных направлениях и их магнитные поля вычитаются друг из друга. Однако суммарное электрическое поле двухжильного провода после щелчка выключателя может возрасти, если разорвана цепь нулевого провода, а второй провод остается под напряжением. Такая ситуация встречается часто, потому что когда монтируют настенные выключатели или подсоединяют к штепсельным розеткам электроприборы с собственными выключателями, мало кто задумывается, какой из проводов нулевой.

Магнитное поле от стандартных бытовых электроплит на расстоянии 20-30 см от передней панели, где обычно стоит хозяйка, составляет 1-3 мкТл (показатель зависит от модификации и состояния плиты). У конфорок магнитное поле, естественно, больше. Но на расстоянии 50°см оно уже неотличимо от общего поля в кухне, которое составляет примерно 0,1-0,15 мкТл.

Магнитные поля от холодильников и морозильников невелики. По данным Центра электромагнитной безопасности, у обычного бытового холодильника поле выше ПДУ (0,2 мкТл) возникает в радиусе 10 см от компрессора и только во время его работы, но у холодильников, оснащенных системой «nо frost», превышение ПДУ можно зафиксировать даже на расстоянии 1 м от дверцы холодильника.

Малыми являются поля от мощных электрических чайников. Так, на расстоянии 20 см от чайника «Tefal» поле составляет около 0,6 мкТл, а на расстоянии 50 см оно неотличимо от общего фона ЭМП в помещении кухни. У утюгов поле выше 0,2 мкТл обнаруживается на расстоянии 25 см от ручки и только в режиме нагрева.