Доставить и не растерять электроэнергию

Карантин, связанный с пандемией COVID-19 – удивительное время, когда все причуды и красоты глобализированного демократического общества уходят прочь, а идеи чучхэ, над которыми много лет иронизировали все кому не лень, торжествуют по всей планете. Самоизолироваться, рассчитывать только на свои силы, беспрекословно выполнять распоряжения властей, терпеть тяготы и невзгоды, любые контакты с внешним миром контролировать самым жестким образом – спасибо тебе, дедушка Ким Ир Сен, за твою мудрость и дар предвидения!

Удивительное время, когда мы внезапно выяснили, что исчезновение из нашей жизни звезд эстрады и прочей «творческой интеллигенции» не становится поводом для горя и переживаний – вот не видим мы их на экранах телевизоров, и ничего, аппетит от этого еще ни у кого не пропал. А экраны телевизоров, между прочим, продолжают работать, в квартирах и домах наших все так же тепло и светло, компьютеры и прочие гаджеты работают исправно, серверы обеспечивают бесперебойную подачу интернета. А это значит, что, несмотря на совершенно реальную опасность схватить COVID-19, энергетики, обеспечивающие нам с вами эту благодать и благолепие – работают.

Работают на электростанциях и подстанциях, обеспечивают надежную подачу электроэнергии всем потребителям, крупным и не очень, потребителям бытовым и тем, которые сейчас важнее всего – госпиталям, больницам, исследовательским лабораториям, холодильникам в продуктовых магазинах. Но даже сейчас «телевизор» рассказывает о ком угодно, только не об энергетиках, только не о тех людях, благодаря которым «телевизор» вообще работает.

Разумеется, Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru мириться с такой несправедливостью и черной неблагодарностью не может. Вашему вниманию, уважаемые читатели – новая статья Ярослава Зыкова о том, из чего состоит ежедневная кропотливая работа энергетиков, очередной «электрический ликбез». Что мы помним из благословенных лет учебы в школе? «Электричество передается по проводам» — вряд ли мы ошибаемся, если это не весь объем знаний у всех, кто не соприкасается с этой отраслью знаний и технологий по роду деятельности. Ток бежит по проводам – это чистая правда, вот только проводов бесконечной длины не бывает, а провода конечной длины приходится «стыковать» друг с другом. Мелочь? Только на первый взгляд.

Металлы для проводов и кабелей – от стали до золота

В предыдущих статьях мы с вами уже без спешки разобрались, как передается электрическая энергия – по проводам из разных металлов, в основном из меди и алюминия. Медь – идеальный проводник, имеет самое низкое удельное сопротивление (сопротивление, отнесенное на единицу длины) среди металлов, не образует никаких плёнок на поверхности, относительно стойкая к атмосферным воздействиям. Но она относительно дорога, к тому же тяжелая, да и прочность её ограничена. Алюминий проводит электричество чуть хуже меди, но он лёгок, дешев, почти абсолютно устойчив к влаге, но быстро покрывается на воздухе оксидной плёнкой и непрочен. В некоторых случаях в качестве проводника используют сталь. Этот металл имеет высокую прочность, но невысокую проводимость, да к тому же ржавеет. В производстве проводов материалы комбинируют – делают их из большого числа тонких алюминиевых проволок (так провод становится более гибким), особым образом их переплетают (чтобы провод был прочнее и лучше держал форму) и добавляют к нему, обычно внутрь, несколько стальных оцинкованных проволочек (для прочности на разрыв).

Интересный факт: 1 метр многожильного алюминиевого провода без учёта стальных проволок за счёт переплетения будет всегда тяжелее метрового цельного куска алюминия такого же сечения. В этом легко убедиться, если расплести провод на отдельные жилки и распрямить их: они будут длиннее, чем провод, который из них состоит. Впрочем, таким «фокусом» можно только мужчин удивить – дамы о том, как заплетаются косы, знают с детских лет.

Также хотелось бы добавить, что в особо знойных случаях в качестве проводников используют необычные материалы. Например, вовсе не металл, а токопроводящую резину (не надо смеяться, она существует и широко применяется, скажем, в оргтехнике). Или токопроводящую керамику, например, там, где металлы быстро из-за агрессивной среды разрушатся. Агрессивной средой может быть и высокая температура, и ядреная химия вроде концентрированных кислот, щелочей, растворителей и так далее.

Или вместо металлов с высокой проводимостью, наоборот, добавят проводник с высоким сопротивлением, ну, например, сплав никеля и хрома в соотношении примерно 3 к 1, известный как нихром. Разумеется, этот проводник начнёт отчаянно греться, и мы получим электрический нагреватель, которым можно и комнату согреть, и чайник вскипятить. А такой металл, как вольфрам, кроме своего высокого электрического сопротивления, ещё и очень тугоплавкий, поэтому можно тонкую (чем меньше сечение проводника – тем выше его сопротивление!) вольфрамовую проволочку электротоком раскалить добела, поместить в стеклянную колбу и выкачать из колбы воздух, чтоб металл медленнее с ниточки испарялся. Да, а вы разве не знали, что и металлы испаряться способны, как и всякие другие материалы в природе? При очень экстремальных условиях, конечно, но тем не менее. Так вот, раскаленная вольфрамовая нить в стеклянном шарике будет ярко светиться – это и есть наша обычная электрическая лампочка накаливания, всем знакомая.

Иногда для проводов и благородные металлы не грех использовать: золото, серебро, платину. Да, это дорого, очень дорого, но иногда крайне необходимо. Благородные металлы в обычных условиях химически абсолютно инертны, не окисляются, не образуют никаких плёнок, а также имеют очень высокую проводимость. Ваш покорный слуга уверен: золото, точнее, позолоту на контактах в быту видело подавляющее большинство из нас. Все эти желтенькие маленькие контактики на вилках кабелей локальной сети Ethernet, мелких разъёмах, на электронных платах – это всё оно, золото. Да, низкой пробы, но тем не менее. Стандартная материнская плата компьютера формата ATX имеет на своих контактах и внутри микросхем несколько грамм этого металла. Платина и палладий также применяются в контактных соединениях, особенно для каких-нибудь ну очень суровых условий, поскольку эти металлы ещё более химически инертны, чем золото. Дорогие они, правда, но порой это оправдано.

А серебро, хоть и является металлом попроще, зато и дешевле. Но самое главное, серебро прочнее золота, которое очень, очень мягкое, и несколько более тугоплавкое. Поэтому из серебра часто делают контактные группы в мощных электромагнитных пускателях – аппаратах, которые управляют разными электродвигателями. Пускатель, способный включить ток ампер в 200 при напряжении 380В запросто может иметь на своих контактах серебряные вставки размером с мелкую монетку. Граждан, уже почуявших вкус к лёгкой наживе (мол, вот бы найти старых пускателей и соскоблить с них серебришка) прошу не беспокоиться: это не чистое серебро, а металлокерамика с большим содержанием серебра. Серебряные вставки позволяют сохранить стабильное переходное сопротивление в контактах даже после многократных включений-отключений даже в условиях обгорания от периодического появления электрической дуги. Да, иногда капельки серебра запросто могут быть и на контактах дорогих выключателей, которыми мы дома свет зажигаем.

Переходное сопротивление – главная головная боль энергетиков

А что такое переходное сопротивление в контактах? Это электрическое сопротивление площадки, по которой соприкасаются два проводника. Дело в том, что даже две полированные металлические поверхности, плотно стянутые друг с другом крупными болтами, имеют сопротивление гораздо больше, чем цельный кусок такого же металла одинакового сечения. Почему? Дело в микронеровностях на поверхности. Если глянуть на зеркально полированный металл в мощный микроскоп, то можно удивиться, что вроде бы гладкая плоскость при сильном увеличении становится вдруг чем-то вроде гор и впадин. Вроде мы глазом видим, что контактные поверхности соприкасаются без зазора, а на самом деле зазор есть, хоть и крайне малый, измеряемый микро- и нанометрами, и электрический ток там идти не может совсем. Места соприкосновения поверхностей ограничены этими самыми «микрогорами». Все ведь помнят, что сечение проводника очень важно? Так вот, в зоне контакта сечение как раз из-за этих «гор» и «впадин» ограничено. И еще на поверхности может быть оксидная плёнка, если проводник – алюминий. Она имеет малое, но всё-таки сопротивление. Или туда попала грязь, или какие-то твердые частицы вроде песка или пыли, которые ток не проводят. Все это и является причиной появления переходного сопротивления.

Энергетики очень не любят сопротивление в той части, где речь идет о проводниках. Энергетики дорого бы дали за то, чтобы свести сопротивление проводников к нулю. Да, существует эффект сверхпроводимости, когда внезапно сопротивление проводников резко падает практически до нуля, и по тоненькому стальному проводку можно передавать на огромные расстояния чудовищные мощности. Одна проблема: этот эффект появляется в условиях температур, близких к абсолютному нулю. В лабораториях таких условий добиться можно, а как построить магистральную линию длиной в тысячу километров? Как создать вокруг проводника низкую температуру на такой длине, чем укутать, какую электрическую изоляцию использовать? В общем, всё пока у электроэнергетиков по старинке.

Но есть у нас и другие энергетики – атомные, а среди них имеются и те, которым эта старинка не нравится от слова «совсем»: сколько можно мучиться с сопротивлением, не пора ли всерьез заняться созданием стабильных высокотемпературных сверхпроводников? Программы, созданные для решения этой проблемы, так и называются – ВТСП, высокотемпературные сверхпроводники, и это тот случай, когда «простые электрики» ставят задачу перед наукой класса «мегасайенс». Создать сверхпроводники, которые сохраняют свои свойства при обычных, а не экстремально низких температурах – задача, которая интересна для науки академического уровня. Но при этом точно известно, что это изобретение будет иметь потрясающий коммерческий результат – энергетики всего мира ждут, когда изобретение появится, чтобы мгновенно начать внедрять его в миллионы километров кабельных и воздушных линий электропередачи. Это, конечно, совершенно отдельная история, но мы к ней обязательно вернемся.

Измерительная аппаратура – зачем и какая

А пока, стало быть, энергетики озабочены переходным сопротивлением контактов в своих устройствах. Придумали себе тонкие и очень точные приборы вроде микроомметров и измерительных мостов, и, если цифры измерений не укладываются в нужные значения, принимают меры – полируют контакты, меняют их, если обгорели. Так, скажет внимательный читатель, постойте, неужели это сопротивление столь велико, что его нужно измерять? Нет, переходные сопротивления обычно очень малы. Скажем, стандартный силовой масляный малообъёмный выключатель (почему он именно масляный и малообъемный, мы позже узнаем) на 10 кВ типа ВМПЭ-10-630, которых у нас в стране, думаю, до сих пор на подстанциях трудится огромное количество, имеет переходное сопротивление в контактах не более 15 микроОм. Крайне малая цифра. Может ли такое сопротивление вызвать хоть сколь-нибудь заметный нагрев? Нет, не может. Но выключатель не один будет в цепи от электростанции до вашей квартиры, не два и не три, а десятка так полтора или даже побольше, потому цифра сопротивления немножко подрастет. Прибавим к ней все, вообще все, электрические контакты по всей линии – в разъединителях, сопряжениях проводов и шин, и так далее. И вот сопротивление станет уже заметным. А это потери.

Как может увеличиться переходное сопротивление в выключателе? После отключения приличной нагрузки, или после КЗ – контакты обязательно подгорят. Энергетики редко используют применительно к параметрам своих устройств термин «максимальный», они говорят «номинальный короткого замыкания» — то есть максимально допустимый для данного устройства или линии. Так вот, номинальный ток отключения короткого замыкания (КЗ) выключателем упомянутого выше типа ВМПЭ-10 – 20 килоАмпер. Эту нагрузку выключатель способен отключить без каких-либо повреждений: да, контакты подгорят, да, маслице внутри дугогасительной камеры станет похоже на дёготь и будет вонять копчёностями, но и только.

А теперь немного занимательной арифметики: 20 кА х 10 кВ = 200’000 кВт. То есть выключатель справится с отключением 200 мегаватт! Это, разумеется, экстремальный для него режим, номинальный ток такого выключателя 630 А, и номинальная отключаемая нагрузка: 630 А х 10 кВ = 6’300 кВт.

Коммутация такой мощности – простая повседневность для данного выключателя. Но контакты будут подгорать даже в этом случае, увеличивая переходное сопротивление. И если как-нибудь ремонтная бригада, занимаясь плановым ремонтом, с помощью моста измерит это сопротивление и поймет, что оно стало великовато, выключатель разберут, и, вооружившись большими кусками войлока, начнут полировать контактные площадки до тех пор, пока показатели не придут в норму. Каждый энергетик, шуруя войлоком по контактам, с тихой надеждой вспоминает о том, что еще в 2014 году Росатом и РЖД подписали соглашение о научно-техническом сотрудничестве: НИИТФА (НИИ технической физики и автоматики) и Всероссийский НИИ железнодорожного транспорта договорились создать сверхпроводящие токоограничители. Всего через год, в 2015 году НИИТФА сертифицировали созданный в институте СОТ КЗ, сверхпроводниковый ограничитель токов короткого замыкания, в Федеральном Агентстве по техническому регулированию и метрологии. Но и об этом в следующий раз, поскольку сверхпроводники в энергетике все еще будущее, а статья – о том, как работают энергетики здесь и сейчас.

Собственно, а почему для измерения переходного сопротивления применяется именно мост, и как он устроен? Строго говоря, об измерениях и метрологии в энергетике следовало бы поговорить отдельно, тема большая и интересная. Возможно, посвятим этому отдельную статью, но позже. Пока же разберемся только с мостом.

Измерительный мост

Мост для измерения переходного сопротивления используется по двум причинам: это очень точный и крайне чувствительный прибор. Ведь величина измеряемого сопротивления, как видно из вышеизложенного, очень мала. Принцип действия любого измерительного моста, используемого энергетиками, прост. Мост работает подобно рычажным весам: на одной чаше лежит предмет, вес которого требуется измерить, а на другую последовательно кладут гири с разным номиналом веса и так до тех пор, пока вес гирь не будет равен весу предмета, и стрелка весов замрет в нулевом положении. У моста две параллельных цепи тока – в одну включается некий объект, сопротивление которого требуется измерить, а в другой цепи размещается комплект резисторов с очень точным номиналом. Резисторы являются «гирями» моста. Роль стрелки весов выполняет гальванометр – прибор, тоже оборудованный стрелкой, которая отклоняется в две стороны, в плюс или в минус. После включения в цепь моста измеряемого объекта последовательно перебирают с помощью переключателей резисторы моста до тех пор, пока гальванометр не покажет «0». Всё, измерение закончено: включенные на определенное сопротивление резисторы равны сопротивлению измеряемого объекта. Точно так же, как комплект гирь на чаше равен весу предмета на другой чаше весов. Осталось посчитать общий вес гирь, или суммарное сопротивление всех резисторов. По тому же самому принципу работает и мост для измерения сопротивления контура заземления.

Кабели, маскирующиеся под провода

Но вернемся к проводам. В качестве материалов для проводов используются металлы с наибольшей проводимостью – медь и алюминий. Медь применяют там, где нужна именно высокая проводимость в совокупности с достаточной прочностью, и где эти качества важнее стоимости. Например, контактные провода трамваев, троллейбусов и электрифицированных железнодорожных линий – медные.

Железнодорожный транспорт

Также медь используется в гибких проводниках, она более упруга и лучше переносит многочисленные повторяющиеся изгибания, чем алюминий. Во всех остальных случаях, а это провода воздушных и кабельных линий, используют алюминий. Для придания алюминиевому проводу прочности его армируют стальными жилками. Также в качестве проводников применяют и сталь — если расстояние небольшое, но требуется очень жёсткий провод, чтобы его не трепало ветром, например, спуск от опоры к трансформатору. И ещё реже проводниками становятся благородные металлы. Их использование уместно там, где требуется долговременно стабильное контактное соединение, особенно если оно работает в каких-то экстремальных условиях. Провода бывают изолированные и голые – для КЛ и ВЛ соответственно. Провода могут изготавливаться многожильными, их используют там, где нужна хотя бы какая-то гибкость и подвижность, а также одножильными, цельным, где гибкость вредна, а требуется, наоборот, жёсткость.

Ошиновка алюминиевой шиной на опорных изоляторах

Одножильные проводники больших сечений, как правило, делаются для удобства монтажа не круглыми, а прямоугольными. Обычно эти провода имеют вид относительно тонких и широких полос, алюминиевых или медных. Плоские цельные провода энергетики называют шинами, а конструкции из них – ошиновкой. Строго говоря, шины и ошиновка устраиваются и из гибких проводов, но об этом мы чуть позже подробнее поговорим. Пока примем, что если речь идёт о шине, то это одножильный проводник в виде алюминиевой или медной полосы. Кстати, эту идею – работать с плоскими полосами, аккуратно «стащили» к себе ученые, занимающиеся высокотемпературной сверхпроводимостью: в качестве основы они используют ленту-подложку из нержавеющей стали, на которую и наносят буферный сверхпроводящий слой. Так что высокая наука опирается на фундамент энергетиков-практиков, остается дождаться, когда она ответит взаимностью – даст возможность энергетикам использовать результаты своих исследований на практике.

А что же с изоляцией?

Наверняка всем понятно, что изоляционные материалы, их свойства и выбор важны не менее, чем свойства и выбор проводников. Изоляция должна быть прочной, чтобы выдерживать вес проводов и усилия, которые в них могут появиться из-за КЗ (короткого замыкания). Если кто-то думает, что эти силы невелики, то он ошибается. Потребные сечения ошиновки на подстанции, как правило, будут заметно меньше, если не учитывать усилия, возникающие в проводниках при КЗ: шины из-за огромных токов начнут со страшной силой притягиваться друг к другу или отталкиваться, и подчас эта сила может оказаться заметно больше нагрузки от веса шин. Кстати, плоские шины не только удобнее круглых проводов в монтаже и соединении, но и выдерживают большие усилия от электромагнитного взаимодействия в ошиновке при КЗ.

Безусловно, изоляция должна обладать и достаточной диэлектрической прочностью, не допуская ни потерь энергии на утечки, ни пробоев и иных электрических повреждений. Кроме того, изоляция должна сохранять стабильные характеристики независимо от срока службы, влажности и внешних загрязнений.

Для изоляции в сетях до 1’000 В выбор материалов достаточно велик – это самые разнообразные пластики, твёрдые (фенолформальдегидные и эпоксидные смолы), и пластичные (полихлорвинил, полиэтилен и т.д.).

Кабели, жилы, изоляция

Наверняка многие неоднократно держали провода в руках. Обычные провода, каких множество в наших квартирах. Этими проводами подключается наша бытовая техника, провода спрятаны под штукатуркой стен квартир, мы повсеместно используем удлинители, если розетка далеко от потребителя. Привыкли к слову «провода»? Ничего не поделать, придется «вычеркнуть», ведь на самом деле, все эти провода – это кабельные линии, поскольку проводники в них изолированы по всей длине. Обычный бытовой провод может быть двухжильным, в нём две токопроводящие жилы, и трехжильным – либо для подвода трехфазного напряжения, либо одна из жилок является заземляющей. Раньше, лет 30 назад, все обычные бытовые провода и кабели были в основном в одинарной изоляции, то есть внешней оболочки у провода не было, только жилки изолировались по всей длине. Большинство современных проводов, которые вовсе не провода, а кабели, имеют двойную изоляцию: каждая жилка изолирована, и ещё снаружи провод покрыт изолирующей оболочкой. Думаю, не стоит пояснять, что двойная изоляция надежнее и безопаснее одинарной?

А есть ли какие-то особенности у разных видов изоляции обычных проводов, и как правильно их выбрать? Ответом будет слово «нет»: в подавляющем большинстве случаев изоляцией является полихлорвинил, он достаточно надёжен, прочен и долговечен. Корпуса розеток и выключателей делаются из пластика ABS, это тоже вполне рабочий вариант. Но, с другой стороны, лично я настоятельно рекомендую выбирать розетки и выключатели с корпусом из керамики, а не из пластика. Под корпусом имеется в виду не наружная рамка той же розетки с отверстиями для контактов вилки, а та часть, где находятся контакты. Особо рекомендуют выбирать именно розетки с керамическими корпусами, для этого есть две причины. Розетки имеют склонность гореть, и если корпус будет керамический, то даже подгоревшую керамическую розетку можно восстановить, просто почистив контакты и корпус. Розетка с пластиковым корпусом в лучшем случае придёт в негодность, а в худшем – вызовет пожар, что совсем уж неприятно. Особенно, если учесть, что первая реакция на любой огонь у многих наших домашних одинакова – срочно залить водой, а это уже гарантирует короткое замыкание с риском выхода из строя всей домашней электроаппаратуры. Да и дым от горящего или тлеющего пластика – та еще «радость», это вам любой домашний питомец скажет.

Как отличить керамической корпус розетки или выключателя от пластикового? Керамика на ощупь шершавая, как правило, серая или светло-бежевая, и сама розетка весьма увесистая. Пластик может иметь произвольный цвет, он лёгкий, на ощупь слегка мылкий и гладкий. Иногда пластиковый корпус можно отличить от керамического тем, что в пластик вкручены винты внутреннего крепежа розетки или выключателя. В керамику, разумеется, винт ввернуть невозможно, она слишком хрупкая для этого. И да, ещё один важный момент: старайтесь выбирать розетки и выключатели не с пружинными контактами, а с контактами под винт – они более надежны и стабильны в смысле переходного сопротивления.

А вот высокие значения напряжения чем попало не изолируешь. Нужны качественные материалы, с высоким классом изоляции – то есть прочные, долговечные, по возможности негорючие или, по крайней мере, не самовоспламеняющиеся, и с отличной диэлектрической прочностью. Но промышленную изоляцию и о том, почему и для чего у изоляторов на опорах линий электропередач такая причудливая форма – в следующий раз.