Номинальное напряжение – что это такое, стандарты, особенности, условия работы электросети

Номинальное напряжение определяет условия, при которых источники электроэнергии, проводка и оборудование способны длительно работать в безаварийном режиме. Разберем, что собой представляет эта характеристика электросети, каковы ее особенности, стандарты и исторические аспекты возникновения, какие условия должны выполняться для безопасной эксплуатации электроцепи, а также что лучше – переменный или постоянный ток.

Номинальное напряжение – что это такое, особенности, стандарты

Величина напряжения, приемлемая для безаварийной работы электросети на протяжении неограниченного периода, называется номинальной. Характеристика в равной степени относится как к проводникам, так и источникам и приемникам тока.

Параметр задается ГОСТ-ом, и в зависимости от типа цепи должен соответствовать следующим значениям:

• Переменный бытовой – 12, 24, 36, 42, 127, 220, 380 вольт.
• Переменный высоковольтный – 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ.
• Постоянный – 12, 24, 36, 48, 60, 110, 220, 440, 660, 3000 В.

При этом правила распространяются на следующие типы электрических цепей:

1. Электросети переменного тока номиналом свыше 100 вольт, частотой 50 или 60 Гц. В категорию попадают устройства распределения, передачи и потребления электроэнергии.
2. Тяговые установки, функционирующие как на переменном, так и постоянном токе.
3. Электротехника, работающая на переменном токе величиной не выше 120 вольт при частоте 50 и 60 Гц, а также приборы на постоянном токе не более 750 В. Сюда относятся АКБ, электрогенераторные установки различного типа и другое оборудование.

Согласно существовавшим изначально правилам бытовые сети стандартно снабжались электричеством номиналом 220 В и частотой 50 Гц. Однако не менее распространен стандарт на 12 В. Так, санузлы, душевые и ванные, согласно требованиям ГОСТ, должны оснащаться лампочками, работающими на переменном электротоке 12 В.

Помимо этого, существует отдельная отрасль применения источников света такого же номинала – автомобильное освещение. И это, несмотря на то, что современные аккумуляторные батареи заряжаются на рабочие 14 вольт. Как видно, стандарты в идеале не соблюдаются – в авто по-прежнему ставятся 12-вольтовые лампочки, а во влажных помещениях владельцы жилплощади на свой страх и риск монтируют полноценные светильники на 220 вольт.

Следует также отметить, что новые стандарты электроснабжения обязуют поставщиков электричества повысить напряжение с 220 до 230 В. Предположительно, сделано это с целью улучшения работы электрооборудования, поступающего на отечественный рынок из других стран.

Под новые стандарты номинала также никак не подходят давно прижившиеся в бытовых сетях лампочки накала. Дело в том, что даже повышение рабочего напряжения всего на 10 % снижает их рабочий ресурс почти вдвое.

Справка! Для электрифицированных видов транспортных средств, а также различных промышленных установок действуют несколько иные стандарты номинала напряжения, нежели в быту.

История

Для того чтобы лучше понять, что такое номинальное напряжение, следует изучить историю возникновения термина. Изначально использовалась другая величина – эталон напряжения.

В истории развития и появления на свет практического электричества просматриваются следующие вехи:

• Первые опыты со статическим электричеством, проведенные Стивеном Греем в 1739 году, доказали возможность передачи электроэнергии на определенное расстояние.
• В 1832 г. с помощью электромагнитного крана удалось поднять внушительный груз. При этом электроток для питания подъемника поступал от источника по проводам длиной в милю.
• В 1837 году введена в эксплуатацию 20-километровая телеграфная линия коммерческого назначения.

• Основываясь на докладе от 1801 г. изобретателя Дэви и опытах Фарадея, Джон Дэниэл усовершенствовал вольтовый столб.
• В 1881 г. Международной конференцией было решено в качестве эталона принять разность потенциала, выдаваемую устройством Дэниэла, равной 1 вольту.

Несмотря на то, что процесс принятия эталона шел так долго с момента открытия свойств электричества, практическое его применение было уже известно – что отражено в следующих событиях:

1. В 1843 г. посредством источника Бунзена была сконструирована система освещения одной из популярных площадей Парижа.
2. В 1844 г. были построены ручные электрогенераторы для работы промышленных гальванических установок.
3. С середины 50-х гг. 19-го столетия стали успешно применяться паровые электрогенераторы. При этом уже вовсю использовались паровозные двигатели Пейджа.
4. С 1858 г. начинают эксплуатироваться тяжелые автономные парогенераторы Блэквэлла. Например, в Англии на них базировалась работа портовых маяков.

Начиная с 70-х гг. 19-го века, появились первые высоковольтные линии электропередач. Одним из основателей этого стал немецкий промышленник Миллер. Протяженность первой ЛЭП равнялась 35 милям.

Условия работы электросети

Для безаварийной работы электрооборудования требуется, чтобы номинал приемника и источника совпадал. Однако на практике это условие никогда не выполняется в силу следующих причин:

• Потребительская мощность цепи не бывает постоянной, но всегда колеблется. Допустимой нормой считается величина 5 % в большую или меньшую сторону.
• В ходе транспортировки часть электроэнергии теряется в виде теплового рассеяния. Поэтому у приемника номинал будет всегда меньше, чем у источника. Ввиду этого выдаваемой станцией напряжение должно быть выше на 5 % требуемого.

КПД транспортировки электроэнергии современных ЛЭП составляет не менее 90 %. Обуславливается это прежде всего переводом напряжения в высоковольтную область. Так как часть энергии неизбежно теряется в силу естественных причин, и чем выше сила тока, тем больше утрата.

Обратите внимание! Согласно ГОСТу, еще начиная с 1993 г. номинальное напряжение бытовых электроустановок в 3-х-фазных сетях должно быть 400 В, а в 1-фазных 230 В.

Согласно закону Ома, чем выше напряжение, тем меньше сила электротока и ниже потери при одинаковых показателях мощности. Поэтому было принято решить проблему 2-мя путями – увеличить площадь сечения проводника и повысить напряжение.

Тенденции роста величины номинала на дальних линиях электропередач наблюдались по всем странам по мере электрификации планеты:

1. Первая ГЭС в Северной Америке появилась на Ниагаре в 90-е гг. 19-го столетия. Это была 4-проводная система Тесла.
2. В 20-е гг. 20-го столетия немецкая энергетическая компания RWE AG запустила в эксплуатацию ЛЭП номиналом 220 кВ. Это дало толчок развития промышленности – так как появилась возможность питать оборудование вдали от электростанций.
3. Трасса с напряжением 380 кВ использовалась в Германии и Италии.
4. В 1967 г. в Советском Союзе, а также Канаде и США были введены в эксплуатацию линии электропередач на 750 кВ.
5. В 1982 г. построена ЛЭП на 1,2 МВ между Экибастузом и Электросталью.
6. В 1999 г. Японии запустила линию номиналом 1 МВ.

В начале 21-го столетия КНР начала строительство ЛЭП с максимальным вольтажом.

Номинальное напряжение различных типов сетей

Согласно требованиям ГОСТ (под № 721-78), для различных электроцепей есть следующие требования по номиналу напряжения:

• Устройства управления, автоматизации, сигнализации, цеховое освещение, электроинструмент – постоянный ток 12, 24, 36, 48, 60 вольт, переменный ток на 1 фазе 12, 24, 36 В.

• Приемники на постоянном электротоке – 110, 220, 440 вольт, генераторы для них – 115, 230 и 460 В, соответственно.
• Номинал электротока, выдаваемого 2-ыми обмотками трансформаторов, на 5-10 % больше такого же показателя сети. В бытовых цепях – это 230, 400 и 690 В, в ЛЭП – это 3,15-3,3, 6,3-6,6 и т. д.
• Электроснабжение электроприводов малой мощности, систем управления и освещения – 380 вольт.
• Силовое оборудование – 660 В. Плюсы такого подхода выражаются в меньших потерях электроэнергии, снижении расхода проводников, а также возможности повышения мощности двигателей и уменьшения количества трансформаторных подстанций.
• Электроприемники на 3 кВ.
• Питание электроэнергией предприятий и отдельного электрооборудования на 1000 вольт.
• Снабжение электричеством особо крупных заводов – 300 и 500 кВ, крупных предприятий – 110 и 220 кВ, а также систем перераспределения электроэнергии на 1-ой стадии.

• Питание оборудования на удалении, заводы средней производительности, устройства распределения глубокого ввода – 35 кВ.
• Предприятия небольшой производительности, системы перераспределения – 6 и 10 кВ.
• Электросистемы редкого применения – 20 и 150 кВ.

Важно! При подборе величины напряжения для конкретной электроцепи учитывается схема электропитания. Также проводится сравнительный анализ технических и экономических параметров доступных вариантов.

Переменный или постоянный ток – что лучше

Функционирующие на сегодняшний день высоковольтные линии электропередач проводят ток номиналом от 115 кВ до 1,2 МВ. Верхний предел объясняется возможностью коронарных дуговых разрядов, нижний – большими потерями.

Например, для сравнения в одной из европейских стран, электросистемы которой работают по стандарту 220 вольт, годовые потери превысили планки в 320 ГВт/час. Что составляет около 2,5 % всей мощности. В тоже время в США показатель достиг значения 7,5 % – ввиду того, что электросети работают в номинале 110 В.

Не последнее значение имеет протяженность ЛЭП. Еще в 80-е гг. прошлого века было подсчитано, что чисто из экономических соображений длина линии не должна превышать 7 тыс. км. Хотя на практике зачастую эта цифра гораздо меньше.

Объясняется это возрастанием индуктивного и емкостного сопротивления на больших дистанциях. Такого эффекта можно избежать, если использовать постоянный ток, а не переменный. Но при этом в точках перераспределения и раздачи придется устанавливать преобразующие станции.

Сегодня уже известны примеры передачи постоянного тока по ЛЭП на дистанции до 500 км. Транспортировка же переменного тока на линиях разной длины имеет свои специфические факторы ограничения:

1. Малые – нагрев, потеря тока за счет теплового рассеяния, разрушение изоляционной оболочки.
2. Средние – эффект падения напряжения, и он тем сильнее, чем выше номинал.
3. Дальние – возникновение реактивной мощности, коронарные разряды, индуктивное сопротивление.

В свете рассматриваемых особенностей 2-х видов электрического тока, интересен такой исторический факт, что Никола Тесла отдавал предпочтение переменному току, так как был оппонентом Эдисона.

Коротко о главном

Номинальным называется такая величина напряжения, при которой электроцепь может работать длительное время в безаварийном режиме. Конкретные значения для бытовой переменной, высоковольтной и постоянной сетей задаются ГОСТ-ом.

Параметры распространяются на электроцепи 3-х типов – переменные свыше 100 В, тяговые постоянные и переменные, переменные не выше 120 В и постоянные до 750 вольт. При этом в быту действуют стандарты на 230 вольт в обычных помещения и 12 В во влажных.

Первые известные опыты с передачей электричества на расстояние были зафиксированы в 1739 г. А в 70-х гг. 19-го столетия появились высоковольтные линии электропередач для снабжения предприятий от электростанций.

Для стабильной работы электротехники требуется, чтобы номинал приемника и сети совпадал. Однако на практике это не выполняется в силу нестабильности нагрузки и потерь при передаче. Поэтому в сеть подается напряжение выше на 5 % от требуемого значения.

Для минимизации потерь тока при транспортировке на дальние расстояния всю историю стремились повышать номинал сети. Поэтому сегодня мощные дальние ЛЭП работают с напряжением порядка 1-1,2 МВ. При этом для разных типов цепей есть свои подходящие значения номинала (согласно ГОСТ).

При сравнении переменного тока с постоянным выясняется, что последний лучше, но требует преобразования на месте при раздаче. При передаче переменного тока возникают ограничивающий факторы, характер которых определяется продолжительностью линии электропередач.