§ 162. Сдвиг фаз между током и напряжением. Проделаем -следующий опыт. Возьмем описанный в § 153 осциллограф

за?

Рис. 305. Опыт по обнаружению сдвига фаз между током и напряже­нием: слева — схема опыта, справа — результаты

э/

Л

дает форму напряжения между обкладками конденсатора (точками а и Ь), потому что в этой петле осциллографа ток в каждый момент времени пропорционален напряжению. Опыт показывает, что в этом случае кривые тока и напря­жения смещены по фазе, причем ток опережает по фазе на-

с двумя петлями и включим его в цепь так (рис. 305, а), чтобы петля 1 была включена в цепь последовательно с кон­денсатором, а петля 2 параллельно этому конденсатору. Очевидно, что кривая, получаемая от петли 1, изображает форму тока, проходящего через конденсатор, а от петли 2

пряжение на четверть периода (на л/2). Если бы мы заме­нили конденсатор катушкой с большой индуктивностью (рис. 305, б), то оказалось бы, что ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода (на п/2). Наконец, таким же образом можно было бы показать, что в случае активного сопротивления напряжение и ток совпадают по фазе (рис. 305, в).

В общем случае, когда участок цепи содержит не толь­ко активное, но и реактивное (емкостное, индуктивное или и то и другое) сопротивление, напряжение между кон­цами этого участка сдвинуто по фазе относительно тока, причем сдвиг фаз лежит в пределах от +я/2 до —я/2 и оп­ределяется соотношением между активным и реактивным сопротивлениями данного участка цепи¹).

В чем заключается физическая причина наблюдаемого сдвига фаз между током и напряжением?

Если в цепь не входят конденсаторы и катушки, т. е. емкостным и индуктивным сопротивлениями цепи можно пренебречь по сравнению с активным, то ток следует за на­пряжением, проходя одновременно с ним через максимумы и нулевые значения, как это показано на рис. 305, в.

Если цепь имеет заметную индуктивность L, то при про­хождении по ней переменного тока в цепи возникает э. д. с. самоиндукции. Эта э. д. с. по правилу Ленца направлена так, что она стремится препятствовать тем изменениям магнит­ного поля (а следовательно, и изменениям тока, создающего это поле), которые вызывают э. д. с. индукции. При нараста­нии тока э. д. с. самоиндукции препятствует этому нараста­нию, и потому ток позже достигает максимума, чем в от­сутствие самоиндукции. При убывании тока э. д. с. самоин­дукции стремится поддерживать ток и нулевые значения- тока будут достигнуты в более поздний момент, чем в от­сутствие самоиндукции. Таким образом, при наличии ин­дуктивности ток отстает по фазе от тока в отсутствие индук­тивности, а следовательно, отстает по фазе от своего напря­жения.

Если активным сопротивлением цепи R можно прене­бречь по сравнению с ее индуктивным сопротивлением Xj=(aL, то отставалие тока от напряжения по времени

равно 774 (сдвиг фаз равен п/2), т. е. максимум и совпадает с i=0, как это показано на рис. 305, б. Действительно, в этом случае напряжение на активном сопротивлении /?/—0, ибо R—0, и, следовательно, все внешнее напряжение и уравновешивается э. д. с. индукции, которая противопо­ложна ему по направлению: u=L Ail At. Таким образом, максимум и совпадает с максимумом Ail At, т. е. наступает в тот момент, когда i изменяется быстрее всего, а это быва­ет, когда t=0. Наоборот, в момент, когда t проходит через максимальное значение, изменение тока наименьшее (AilAt~0), т. е. в этот момент и=0.

Если активное сопротивление цепи R не настолько мало, чтобы им можно было пренебречь, то часть внешнего напряжения и падает на со­противлении R, а остальная часть уравновешивается э. д. с. самоиндук­ции: и= Ri-\-.L At/At. В этом случае максимум I отстоит от максимума и по времени меньше, чем на 774 (сдвиг фаз меньше я/2), как это изображено

Рис. 306. Сдвиг фаз между током и напряжением в цепи, содержащей активное и индуктивное сопротивления

на рис. 306. Расчет показывает, что в этом случае отставание по фазе ф может быть вычислено по формуле

. Xr ti)L tg₉ = -_r=_. (162.1)

При R= 0 имеем tg ф= оо и ф=я/2, как это объяснено выше.

Если цепь состоит из конденсатора емкости С, а актив­ным сопротивлением можно пренебречь, то обкладки кон­денсатора, присоединенные к источнику тока с напряже­нием и, заряжаются и между ними возникает напряжение и_с. Напряжение на конденсаторе и_с следует за напряжением

источника тока и практически мгновенно ¹), т. е. достигает максимума одновременно сии обращается в нуль, когда

Ы=0.

Зависимость между током i и напряжением и в этом слу­чае показана на рис. 307, а. На рис. 307, б условно изобра­жен процесс пере&арядки конденсатора, связанный с появ­лением переменного тока в цепи.

О

Ю

Рис. 307. а) Сдвиг фаз между напряжением и током в цепи с емкостным сопротивлением в отсутствие • активного сопротивления, б) Процесс перезарядки конденсатора в цепи переменного тока

Когда конденсатор заряжен до максимума (т. е. и_с, а следовательно, и и имеют максимальное значение), ток

f—0 и вся энергия цепи есть электрическая энергия заряженного конденсатора (точка а на рис. 307, а). При уменьшении напряжения м конденсатор начинает разряжать­ся и в цепи появляется ток; он направлен от обкладки 1 к обкладке 2, т. е. навстречу напряжению и. Поэтому на рис. 307, а он изображен как отрицательный (точки лежат ниже оси времени). К моменту времени t=TI4 конденса­тор полностью разряжен (и_с=0 и и=0), а ток достигает максимального значения (точка Ь)\ электрическая энер­гия равна нулю, и вся энергия сводится к энергии магнит­ного поля, создаваемого током. Далее, напряжение и ме­

няет знак, и ток начинает ослабевать, сохраняя прежнее направление. Когда и (и и_с) достигнет максимума, вся энергия вновь станет электрической, и ток t=0 (точка с). В дальнейшем и (и и_с) начинает убывать, конденсатор разряжается, ток нарастает, имея теперь направление от обкладки 2 к обкладке 1, т. е. положительное; ток дохо­дит до максимума в момент, когда и=0 (точка d) и т. д. Из рис. 307, а видно, что ток раньше, чем напряжение, до­стигает максимума и проходит через нуль, т. е. ток опере­жает напряжение по фазе.

Если активным сопротивлением цепи R нельзя пренебречь по срав­нению с емкостным Хс—1/в>С, то ток опережает напряжение по време-

Рис. 308. Сдвиг фаз между током и напряжением в цепи, содержащей активное и емкостное сопротивления

ни меньше, чем на Т/4 (сдвиг фаз меньше я/2, рис. 308). Для этого слу­чая, как показывает расчет, сдвиг фаз <р может быть вычислен по формуле

= ’ 062.2)

При R= 0 имеем tg <р= оо и ф=я/2, как это объяснено выше.

§ 163. Мощность переменного тока. В § 58 мы разобрали вопрос о мощности постоянного электрического тока. Мы видели, что если напряжение между концами некоторого участка цепи равно U, а сила тока в этом участке цепи рав­на /, то мощность, выделяемая током в этом участке цепи, равна

Р = IU = PR, (163.1)

где R — активное сопротивление участка цепи.

В случае переменного тока дело обстоит сложнее, так как сила переменного тока определяется не только актив­ным сопротивлением цепи R, но и ее индуктивным или ем­костным сопротивлением. ⁴

Представим себе, например, что какой-нибудь участок цепи имеет только емкостное сопротивление, т. е. содержит только конденсатор. Процесс прохождения тока через кон­денсатор, как мы видели в § 158, представляет собой про­цесс многократно повторяющейся зарядки и разрядки этого конденсатора. В течение той четверти периода, когда кон­денсатор заряжается, источник расходует некоторую энер­гию, которая запасается в конденсаторе в виде энергии его электрического поля. Но в следующую четверть периода конденсатор разряжается и отдает обратно в сеть практи­чески всю запасенную в нем энергию. Таким образом, если пренебречь обычно очень малыми потерями энергии на на­гревание диэлектрика в конденсаторе, то прохождение тока через конденсатор не связано с выделением в нем мощности.

То же будет иметь место и при прохождении тока через катушку, сопротивление которой можно считать чисто ин­дуктивным. В течение той четверти периода, пока ток нара­стает, в катушке создается магнитное поле, обладающее определенным запасом энергии. На создание этого поля расходуется энергия источника. Но в следующую четверть периода, когда ток уменьшается, магнитное поле исчезает, и запасенная в нем энергия в процессе самоиндукции вновь возвращается к источнику.

Мы видим, что наличие емкостного или индуктивного сопротивления цепи хотя и отражается на силе тока в этой цепи, но не связано с расходом мощности в ней. В конденса­торах и катушках с индуктивным сопротивлением энергия то берется «взаймы» у источника, то снова возвращается к нему, но она не уходит из цепи, не тратится на нагрева­ние проводников (джоулево тепло, § 56) или на совершение механической работы и т. п.

л 163.1. Чтобы не ослеплять зрителей резким переходом от темноты

• к свету, во многих театрах и кинотеатрах свет после окончания действия или сеанса включают не сразу, а постепенно. Лампы сначала начинают светиться тусклым красным светом и разгора­ются медленно в течение нескольких секунд. Это можно осущест- вить либо с помощью реостата, либо с помощью катушки с вы­двигающимся' железным сердечником. Какой способ выгоднее?

Таким образом, при наличии в цепи индуктивного и ем­костного сопротивлений мощность, фактически расходуе­мая в цепи, всегда меньше, чем произведение IV, т. е. равна

P = IUl, (163.2)

где К есть некоторый коэффициент, меньший единицы, на­зываемый коэффициентом мощности данной цепи.

Расчет, которого мы приводить не будем, показывает, что для сину­соидальных токов этот коэффициент равен X=cos ф, где ф есть сдвиг фаз между током в цепи и напряжением между концами рассматриваемо­го ее участка. Таким образом,

P=*/U совф. - (163.3)

Из формул (162.1) и (162.2) видно, что сдвиг фаз ф между напряже­нием н током растет по мере увеличения отношения емкостного или ин­дуктивного сопротивления к активному. Но с ростом ф уменьшается зна­чение cos ф. Поэтому коэффициент мощности прибора, потребляющего переменный ток, тем меньше, чем больше его емкостное или индуктивное сопротивление по сравнению с активным. Он обращается в нуль для чисто индуктивного или чисто емкостного сопротивления (ф= я/2, cos Ф=0) и равен единице для чисто активного (ф—0, cos Ф=1).

Мы должны в заключение подчеркнуть то чрезвычайно важное на­роднохозяйственное значение, которое имеет борьба за всемерное уве­личение коэффициента мощности электрических цепей. Каждая электри­ческая машина (генератор), установленная на станциях,-характеризу­ется своим предельным «нормальным» током /, прн котором нагревание машины вследствие потерь в проводах не превышает допустимых разме­ров, и своим нормальным напряжением U. Произведение IU называется полной мощностью этой машины. Такую мощность машина могла бы действительно отдавать потребителям, если бы ее нагрузка была чисто активной, т. е. если бы не было сдвига фаз между током и напряжением на зажимах машины. В этом случае ф=0 н cos ф= 1. Но если в сети име­ются заметные емкостные или индуктивные сопротивления, обусловли­вающие некоторый сдвиг фаз <р между током и напряжением, то cos ф< 1 и машина не может отдать в сеть всю свою полную мощность. При cos ф=0,8, иапрнмер, машина с полной мощностью 100 ООО кВт может фактически дать потребителю только 80 ООО кВт. Ясно, насколько это убыточно для народного хозяйства в целом.

Долг каждого рабочего, техника или инженера, имеющего дело с установками, потребляющими много электрической энергии, заботиться

о всемерном повышении коэффициента мощности в тех установках, с которыми он работает.

В следующей главе, разбирая вопрос о работе электродвигателей, мы укажем некоторые конкретные мероприятия, которые нужно для этого проводить.

§ t64. Трансформаторы. При практическом использовании энергии электрического тока очень часто возникает необ­ходимость изменять напряжение, даваемое каким-либо генератором. В одних случаях бывают нужны напряжения в тысячи или даже сотни тысяч вольт, в других необходимы напряжения в несколько вольт или - несколько десятков вольт. Осуществить такого рода преобразования постоян­ного напряжения очень трудно, между тем переменное на­пряжение можно преобразовать — повышать или пони­жать — весьма просто и почти без потерь энергии. В этом заключается одна из основных причин того, что в технике пользуются в подавляющем большинстве случаев перемен­ным, а не постоянным током.

Приборы, с .помощью которых производится преобра­зование напряжения переменного тока, носят название трансформаторов. Принципиальная схема устройства транс­форматора показана на рис. 309. Всякий трансформатор имеет железный сердечник, на который надеты две катуш­ки (обмотки). Концы одной из этих обмоток подключаются к источнику переменного тока, например к городской сети, с напряжением Ui\ нагрузка, т. е. те приборы, которые по­требляют электрическую энергию, подключается к концам второй обмотки, на которых создается переменное напря­жение U2, отличное от U_t. Об- сеть мотка, подключенная к источ­нику тока, называется пер­вичной, а обмотка, к которой подключена нагрузка,— вто­ричной. Если напряжение на первичной обмотке (напряже­ние источника) больше, чем на вторичной, т. е. U£>U₂, то трансформатор называется понижающим-, если же U_x<.

Рис.

Нагрузка 309. Схема устройства трансформатора

<i/₂, то он называется повы­шающим.

Когда мы подключаем тран­сформатор к источнику пе­ременного тока, например к городской сети, то проходящий по первичной обмотке переменный ток создает переменное магнитное поле, одна из линий которого показана штри­ховой линией на рис. 309. Так как обе обмотки надеты на общий железный сердечник, то почти все линии этого поля проходят через обмотки. Иначе можно сказать, что обе об­мотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком. При изменении этого потока в каждом витке обмоток, как первичной, так и вторичной, индуцируется одна и та же

э. д. с. е. Полная же индуцированная э. д. с. $, возникаю­щая в «аждой обмотке, равна произведению э. д. с. е на число витков N в соответствующей обмотке. Если первич­ная обмотка имеет Ni витков, а вторичная — N ₂ витков, то индуцированные в них э. д. с. равны соответственно <^^>₁= =вN-l и <§₂=zN₂, т. е.

/164 I)

При так называемом холостом ходе трансформатора, т. е. тогда, когда к концам вторичной обмотки не подклю­чена никакая нагрузка и через нее не иде^ ток, напряжение

Таким образом, отношение напряжений на зажимах обмоток трансформатора при холостом ходе приближенно

равно отношению индуцирован- ных в них э. д. с.:

Uj Si U2 Si

Это отношение называется коэф- фициентом трансформации и обозначается буквой К:

я* Ui

Ki

N*’

на концах вторичной обмотки U₉ равно индуцированной в ней э. д. с. S_t (§ 81). Что же касается э. д. с. S_u инду­цированной в первичной обмотке, то она по правилу Лен­ца (§ 139) всегда направлена противоположно приложен­ному к ней внешнему напряжению Ut и при холостом ходе почти равна ему.

Действительно, мы видели (§ 162), что напряжение на участке цепи, содержащем активное сопротивление R и индуктивность L,

А/

Ui = RI + L

At

Но при холостом ходе трансформатора его индуктивность L настолько велика, что активным сопротивлением R можно пренебречь посравнению с индуктивным, т, е. можно считать R=0. При этом

, jo .

(164.3)

Если, например, первичная обмотка имеет 2500 витков, а вторичная — 250 витков, то коэффициент трансформации равен 10. Подключив первичную обмотку к источнику с на­пряжением t/i—1000 В, мы на вторичной обмотке получим напряжение i/₂=100 В. Если-бы мы, наоборот, использо­вали в качестве первичной обмотку с меньшим числом вит­ков и подключили ее к источнику с напряжением i/i=100 В, то коэффициент трансформации был бы равен 0,1, и на кон­цах другой обмотки мы получили бы напряжение U%= 1000 В. В первом случае наш трансформатор работает как понижаю­щий, во втором — как повышающий.

*% 164.1. Первичная катушка трансформатора имеет 1000 витков.

• На тот же сердечник надеты четыре вторичные катушки с числами витков 250, 500, 1500 и 10 000. Какое напряжение будет иа зажи­мах каждой катушки, если на первичную подать 220 В?

164.2. На рис. 310 изображен так называемый автотрансформатор. Это катушка, надетая на железный сердечник н имеющая ряд от-

U,

Рис.

310. К упражнению 164.2

(164.2)

/с=

N,

и,

водов через определенное число витков. Пусть между зажимами 1 и 2 находится 100 витков, между 2 и 3 — 200, между 3 и 4 — 300 и между 4 и 5 — 400. К зажимам / и 3 подается напряжение 220 В. Какое напряжение будет между зажимами / и 2, I и 4, 1 и 5, 2 и 3, 2 и 4, 2 и 5, 3 и 4, 3 и 5, 4 и-5?

Рассмотрим подробнее, как работает трансформатор. При холостом ходе, когда тока в цепн вторичной обмотки нет и мощность в ней не рас­ходуется, в цепи первичной обмотки действует напряжение, равное раз­ности между приложенным напряжением сети U_l и противоположно направленной индуцированной э. д. с. Напряжение U₁—Si ^с0" здает в цепи первичной обмотки некоторый ток холостого хода /₀, мощ­ность которого представляет собой бесполезную потерю: она расходу­ется на нагревание обмотки проходящим по ней током (потери в меди) и на нагревание сердечника, вызываемое токами Фуко и его многократ­ным перемагничиванием (потери в железе). Однако при правильном рас­чете трансформатора эти потерн невелики, и ток холостого хода состав­ляет лишь несколько процентов от тока в первичной обмотке при полной нагрузке трансформатора, т. е. при той нагрузке, на которую он рассчи­тан.

Когда мы подключаем к вторичной обмотке нагрузку, в цепи ее идет ток /₂ и выделяется соответствующая мощность. Напряжение U₂ на концах вторичной обмотки уже не будет точно равно а будет не­сколько меньше, но если нагрузка не превышает той нормы, на которую трансформатор рассчитан, то это уменьшение очень незначительно: оно составляет 2—3 % от напряжения холостого хода. При этом, очевидно, должен возрасти и ток в первичной обмотке 1±, н вместе с ним мощность, отбираемая трансформатором из сети. Чем больше нагрузка вторич­ной обмоткн (ток /₂), тем больше должен становиться и ток

Рис. 311. Понижающий транс­форматор, дающий очень боль­шой ток

Трансформаторы рассчитываются так, чтобы при нор­мальной их нагрузке, когда током холостого хода /₀ мож­но пренебречь по сравнению с рабочим током 1±, токи в пер­вичной и вторичной обмотках были приблизительно обрат­но пропорциональны соответ­ствующим напряжениям:

(164.4)

Поэтому, если напряжение Ui во много раз меньше, чем U_ь во вторичной цепи такого по­нижающего трансформатора можно получить очень боль­шие токи. Такие трансформа­торы применяются при элект­росварке. На рис. 311 для при­мера показан понижающий трансформатор, вторичная об­мотка которого имеет всего один виток. Напряжение U₂ здесь очень мало, но ток во вторичной обмотке настолько велик, что он нагревает до красного каления толстый мед­ный стержень.

л 164.3. Во вторичной обмотке трансформатора ток равен 0,22 А,

• а напряжение на зажимах равно 2400 В. Каков ток в первичной обмотке, если входное напряжение равно 220 В?

Ток холостого хода трансформатора /₀, как мы уже отмечали, очень мал. Это означает,, что сопротивление первичной обмотки очень велико. Это сопротивление обусловлено почти полностью большой индуктив­ностью первичной обмотки ненагруженного трансформатора; ее актив­ным сопротивлением R можно пренебречь по сравнению с индуктивным сопротивлением со/-. Когда мы включаем нагрузку, то переменный ток /₂, проходящий по вторичной обмотке, сам создает в сердечнике переменное магнитное поле и индуцирует в первичной обмотке некоторую дополни­тельную э. д. с., которая по правилу Ленца направлена противоположно э. д. с. <gS* 1, т. е. уменьшает ее. При этом действующее в цепи первичной обмотки напряжение U_l—Si возрастает, а стало быть, возрастает и ток через эту обмотку /_х.

Можно сказать, что действие магнитного поля тока вторичной об­мотки /₂ уменьшает индуктивное сопротивление первичной обмотки, что и приводит к возрастанию в ней тока.

Мы видим, что ненагруженный или мало нагруженный трансфор­матор представляет собой для сети почти чисто индуктивное сопротивле­ние, т. е. его коэффициент мощности (cos <р) очень мал. По мере возра­стания нагрузки коэффициент мощности возрастает и для трансформа­тора, нагруженного на ту мощность, на которую он рассчитан, стано­вится близким к единице. Поэтому в целях улучшения общего коэффи­циента мощности сети-очень важно распределять нагрузку по различным трансформаторам так, чтобы они были по возможности полностью нагру­жены, и не оставлять- включенных в первичную сет> трансформаторов без нагрузки илн с очень малой нагрузкой.

Трансформатор представляет собой, как мы видим, при­бор, передающий энергию из цепи первичной обмотки в цепь

Рис. 312. Трансформатор для не­больших мощностей. Для сравне­ния рядом поставлена спичечная коробка

вторичной. Эта передача неизбежно связана с неко­торыми потерями — расхо­дом энергии на нагрева­ние⁴ обмоток, на токи Фу­ко и на перемагничивание железа. К. п. д. трансфор­матора называют отно­шение мощности, потреб­ляемой в цепи вторичной обмотки, к мощности, от­бираемой из сети. Раз­ность между этими вели­чинами представляет собой бесполезную потерю.

Для уменьшения потерь энергии на нагревание сердеч­ников токами Фуко их изготовляют из отдельных тонких листков стали, изолированных друг от друга (§ 143), а для уменьшения потерь на нагревание сердечника при его пере-

магничиваний сердечники изготовляют из специальных сор­тов стали, в которых эти потери малы. Благодаря этому по­тери обычно весьма малы по сравнению с мощностью, пре­образуемой в трансформаторах, и к. п. д. трансформаторов' очень высок. Он достигает 98—99 % для больших трансфор­маторов^ около 95 % для малых.

Трансформаторы для небольших мощностей (десятки ватт), применяющиеся главным образом в лабораториях и для бытовых целей, имеют очень небольшие размеры (рис. 312). Мощные же трансформаторы, преобразующие

Рис. 313. Мощный трансформатор с масляным. охлаждением

сотни и тысячи киловатт, представляют собой огромные сооружения. Обычно мощные трансформаторы помещаются в стальной бак, заполненный специальным минеральным маслом (рис. 313). Это улучшает условия охлаждения транс­форматора, и, кроме того, масло играет важную роль как изолирующий материал. Концы обмоток трансформатора выводятся через проходные изоляторы, укрепленные на верхней крышке бака.

Трансформатор был изобретен в 1876 г. П. Н. Яблочко­вым, который применил его для питания своих «свечей», требующих различного напряжения.

§ 165. Централизованное производство и распределение электрической энергии. В 70-х годах прошлого века были в основном разработаны конструкции генераторов электри­ческого тока, с которыми мы познакомимся в гл. XVIII. Это дало возможность преобразовывать тепловую энергию

паровых машин или энергию падающей воды в электриче­скую энергию в масштабах, ранее неслыханных.

Однако возможность получения электрической энергии в больших,количествах сразу же поставила перед техникой другую очень важную и принципиально совершенно новую задачу, именно задачу транспортирования энергии, передачи ее из одного места в другое. До изобретения электрических генераторов эта задача не возникала, потому что она была совершенно неразрешимой. В самом деле, если мы имеем водяной или ветряной двигатель или паровую машину, то мы можем передать его механическую энергию только стан­ку, находящемуся в непосредственной близости от двига­теля. Эта передача с помощью валов, зубчатых колес, ре­менных трансмиссий и т. п. сравнительно легко осуществля­ется на расстояние до нескольких десятков или, в крайнем случае, сотен метров, но нельзя представить себе, чтобы с помощью таких устройств можно было передавать энер­гию на расстояние нескольких километров или десятков километров.

Энергию же электрического тока можно передавать по проводам на расстояние до нескольких тысяч километров. Поэтому, как только были созданы первые удовлетворитель­ные модели электрических генераторов, перед техникой возникла проблема централизованного производства энер­гии и ее передачи по проводам на большое расстояние. Та­кая постановка задачи — производство энергии в одном ме­сте и потребление ее в другом — является одной из важней­ших принципиальных особенностей энергетики, основан­ной на использовании электрической энергии.

Подавляющая часть получаемой в СССР электрической энергии, являющейся энергетической базой всей промыш­ленности, производится на электростанциях, мощность ко­торых измеряется сотнями тысяч и миллионами киловатт. Станции эти располагаются либо там, где имеются большие запасы водной энергии (на Днепре, Волге, Ангаре и других полноводных реках), либо там, где есть большие запасы дешевого топлива. Дешевая энергия этих станций распре­деляется по проводным сетям на огромные расстояния и по­требляется часто в местах, отстоящих от станции на сотни и тысячи километров. При этом большое число мощных стан­ций объединяются в одну энергетическую систему, например Мосэнерго, Ленинградэнерго, Укрэйерго и т. д., и совместно снабжают энергией потребителей огромного района. Завер­шаются работы по объединению в единую систему всех круп­ных электростанций СССР.

При таких условиях совершенно исключительное значе­ние приобретает задача возможного уменьшения потерь в проводах (§ 52). Важнейшим шагом в решении этой фунда­ментальной электротехнической задачи явилось выяснение вопроса о возможности значительного уменьшения потерь путем повышения напряжения, под которым передается ток. К этому выводу впервые пришел русский электротехник Д. А. Лачинов, опубликовавший соответствующее иссле­дование в 1880 г. С таким же заключением выступил фран­цузский исследователь Ж. Депрё, который в 1882 г. осуще­ствил первую передачу электроэнергии значительной мощ­ности по телеграфным проводам на расстояние 57 км.

Для лучшего уяснения идеи Лачинова и Депрё рассмот­рим числовой пример.

Положим, что мы имеем в одном месте генератор с мощ­ностью 1000 кВт и передаем его энергию в другое место. Срав­ним потери, связанные с ее передачей в двух случаях: ког­да напряжение, даваемое генератором, равно 5 и 50 кВ. В первом случае ток, даваемый генератором, должен рав­няться 200 А (так как 5 кВ-200 А=1000 кВт), во втором — 20 А (так как 50 кВ-20 А = 1000 кВт).

Пусть для передачи служит линия проводов, сопротив­ление которой равно 20 Ом. Какая энергия будет истрачена в этих проводах на нагревание? Потери мощности на нагре­вание равны /²#[Вт]. Следовательно, в первом случае эти потери составляют 200²-20 Вт=800 кВт, а во втором 20²х х20 Вт=8 кВт. Итак, бесполезные потери энергии состав­ляют в первом случае 800 из 1000 кВт, т. е. достигают 80 %, а во втором— только 0,8 %. Увеличив напряжение в 10 раз, мы уменьшим бесполезные потери в 100 раз. В этом и заклю­чается причина того, что в современной электротехнике энергию, получаемую на электростанциях, стремятся пере­давать в отдаленные места под возможно более высоким на­пряжением.

Конечно, снизить бесполезные потери можно было бы, уменьшая R, т. е. сопротивление проводов. Но для этого пришлось бы их делать более толстыми, ибо длина проводов задана расстоянием до места потребления. Понятно, что значительное увеличение сечения проводов связано с их удорожанием и, следовательно, нежелательно. Наоборот, применение высоких напряжений позволяет пользоваться тонкими проводам^, т. е. проводами с большим сопротив­лением, но зато гораздо более дешевыми.

Однако строить генераторы с напряжением сотни -щсяч вольт крайне затруднительно хотя бы потому, что изоляция

машин не выдерживает таких напряжений. Кроме того, нель­зя столь высокие напряжения непосредственно подавать пoтpeбиfeлю.

-Единственный возможный выход заключается в том, чтобы на электрической станции повышать напряжение, даваемое генератором, передавать энергию под этим высо­ким напряжением в место потребления и здесь снова пони­жать напряжение до нужных пределов. Осуществить такое преобразование напряжений для постоянного тока чрезвы­чайно трудно. Напротив, для переменного тока такое пре­образование осуществляется с помощью трансформатора легко и с очень малыми потерями энергии.

Станция Повышающий трансформатор

Рис. 314. Схема передачи тока от электростанции до потребителя и распределения его между потребителями

Мощные электрические станции вырабатывают электри­ческую энергию при переменном напряжении 6—20 кВ и частоте 50 Гц. Эта энергия подается в повышающие транс­форматоры и попадает в линии передачи под напряжением сотни киловольт. По линиям передачи энергия распределя­ется к местам потребления. Здесь ток принимается прежде всего на главную подстанцию, где с помощью трансформа­торов напряжение его снижается обычно до 35 кВ. Под этим

напряжением ток попадает в провода районной распредели­тельной сети, соединяющей главную понижающую подстан­цию со сравнительно близко расположенными местами потребления. В каждом таком месте устанавливаются вторич­ные понижающие подстанции, т. е. трансформаторы, снижаю­щие напряжение до 3, 6 или 10 кВ. Отсюда по проводам мест­ной распределительной сети ток попадает в многочисленные трансформаторные пункты, находящиеся на отдельных за­водах или обслуживающие небольшую группу домов, а иногда и один большой дом. Тут напряжение снижается до 127, 220 или 380 В и под этим низким напряжением энергия подводится в отдельные квартиры, к станкам и т. п. по так

называемой внутренней сети. Схема такого распределения тока показана на рис. 314.

В настоящее время электрическая энергия передается почти исключительно в виде переменного тока высокого на­пряжения. Расчет показывает, однако, что передача ее в виде постоянного тока высокого напряжения была бы го­раздо выгоднее, так как требовала бы проводов с сечением, а следовательно, и массой, в 1,5 раза меньшими; при даль­них передачах (на тысячи километров) это весьма существен­но. Использование постоянного тока вместо переменного тормозится тем, что до сих пор не найден способ получения мощных постоянных токов высокого напряжения и не суще­ствует простых приемов трансформации напряжения посто­янного тока. Это одна из важнейших задач, стоящих перед техникой.

^ 165.1. Электростанция мощности 5000 кВт передает энергию

• по двум медным проводам заводу, находящемуся на расстоянии 25 км. Потеря в проводах должна составить 2 % от передаваемой мощности. Рассчитайте сечение проводов для случаев, когда энергия передается: а) под напряжением 50 кВ; б) под напряже­нием 100 кВ. Какова будет масса проводов в том и другом случае? Плотность меди равна 8,9-Ю³ кг/м³.