Как многие знают, в современных электросетях нашей страны переменный ток имеет напряжение 220 В и частоту 50 Гц. То есть, плюс и минус за одну секунду меняются местами именно с этой частотой. В США за стандарт приняты значения в 110–120 В и 60 Гц. В Бразилии напряжение может быть 120, 127 и 220 В, а частота та же, что и в США — 60 Гц. Так что же это за герцы и откуда они взялись? Почему в электроэнергетике приняты именно такие их значения? Но для начала отправимся в прошлое, когда первые электрические лампочки только загорались.
На заре электроэнергетики
Вторая половина XIX века для многих стран стала временем повышенного интереса к электричеству. Молнии, испускаемые специальными аппаратами, можно было увидеть не только в научных лабораториях, но буквально на открытом воздухе — в шатрах ярмарок следующим номером после медведя-эквилибриста. Одним из первых действительно полезных способов приручить новую энергию стала электрическая лампочка Эдисона. В США началась крупномасштабная электрификация и, как следствие, строительство первых электростанций.
Первыми лампами, запущенными в промышленное производство, были так называемые дуговые лампы. Название этому виду дала форма электрического разряда, возникающего между двумя электродами в корпусе лампы. Именно эта дуга и была источником света. Однако нужно было как-то придать этой мини-молнии устойчивость. В ходе экспериментов было выявлено, что наиболее стабильно дуга ведет себя при напряжении в 45 В. Тем не менее для того, чтобы включение такой лампочки было более безопасным, к ней подключали резистивный балласт. В процессе работы лампы на нем падало около 20 В. Так и появилась в то время «традиция» применять постоянный ток с напряжением в 60 В. Когда начала возникать необходимость подключать одновременно две дуговые лампы, напряжение было решено повысить до 110 В.
Эдисон был ярым приверженцем именно постоянного тока, поэтому его генераторы и выдавали именно постоянный ток с напряжением 110 В. Как бы то ни было, такой метод был крайне затратным и невыгодным экономически. Дело в том, что для реализации технологии Эдисона требовалось проложить большое количество толстых проводов. И при всем при этом передать энергию от электростанции до конечного потребителя получалось лишь на сравнительно небольшое расстояние — несколько сотен метров (потери при передаче были довольно большие). Попыткой улучшить экономическую составляющую технологии было создание трехпроводной системы постоянного тока на 220 В, включающей две линии по 110 В, идущие параллельно. Но кардинального изменения ситуации с затратами не произошло.
И вот спустя годы на сцену выходит другой гениальный физик-изобретатель — Никола Тесла со своими абсолютно новыми генераторами переменного тока. Благодаря ему была внедрена более эффективная с экономической точки зрения система передачи энергии при напряжении в несколько тысяч вольт. Теперь можно было «отправлять» ток на целые километры без критических потерь. Перед поступлением тока к потребителю напряжение на каждой из трех фаз понижалось до 127 В специальными трансформаторами. Роторы генераторов, приводимых в движение с помощью падающей воды или пара, вращались с поразительной для того времени скоростью — 3000 об./мин, а иногда и больше. Поэтому при отсутствии нештатных ситуаций лампы горели ровно, без мерцания, асинхронные двигатели в быту и промышленности работали и вообще жизнь была светла и прекрасна.
Появление стандартов 50 и 60 Гц
Что касается нашей страны то до начала 1960-х напряжение в розетках оставалось равным 127 В. Поднимать его, как тогда казалось, просто не было нужды. Однако производственные мощности после войны восстанавливались и даже ширились, поэтому и напряжение в сети также скоро подняли до 220 В.
Физик и инженер-электрик М. О. Доливо-Добровольский, известный как изобретатель вышеупомянутого асинхронного двигателя, также много работал над изучением возможностей переменного тока. Он считал, что наилучшим вариантом будет использование в электрической сети синусоидального тока с частотой 30–40 Гц. К его мнению прислушались, и теперь в советских (а затем и российских) розетках протекал именного такой ток. Только частоту впоследствии подняли до 50 Гц. В США это значение установилось на 60 Гц. Эти частоты были самыми оптимальными для машин и механизмов, работавших от электричества на фабриках.
Но главная причина кроется в конструкции самих генераторов. Частота переменного тока напрямую зависит от того, с какой скоростью вращаются турбины генераторов. Помните, мы сказали, что эти машины приводила в движение сила падающей воды или пара и роторы развивали скорость от 3000 об/мин? Так вот проектировать такие устройства было удобнее всего именно с учетом частот 3000–3600 об/мин. А это, соответственно, 50 и 60 об/сек., то есть те самые 50 и 60 Гц. Кроме того это — оптимальная частота как для работы самих генераторов, так и для функционирования наших электроприборов: при более низкой частоте лампочки, к примеру, начинают мерцать.
В XX веке, как и сейчас, промышленные трансформаторы отлично справлялись с преобразованием данного вида тока. При необходимости современные технологии позволяют повысить эту частоту и, к слову, сэкономить на проводниках в ЛЭП. Сегодня энергетики в состоянии преобразовывать ток любой частоты. Но ведь так было не всегда и линии электропередач, спроектированная достаточно давно, приспособлена именно под вышеуказанные два типа частот. Наверняка в будущем отрасль электроэнергетики значительно изменится, но пока 50 и 60 Гц остаются общепринятым стандартом.
