Каждый из нас с детства знает, что в розетке 220 вольт. Это число плотно вошло в культуру и упоминается в книгах, фильмах, анекдотах… Но почему выбраны именно 220 вольт, а не, например, 200 или 250?
Строго говоря, утверждение, что в розетке 220 вольт, верно не на сто процентов. Ещё в 1992 году был принят ГОСТ 29322-92, согласно которому напряжение в бытовой электросети должно составлять 230 В. Но по действующим нормам допускаются отклонения на 10% в обе стороны, то есть в розетке может быть от 207 до 253 В, и вся техника должна работать при любом напряжении из этого диапазона.
Так откуда же возникла заветная величина «220»? Если коротко — в результате сочетания исторических и экономических причин. В деле замешаны разные виды электрических лампочек, Томас Эдисон и Михаил Доливо-Добровольский. А как именно — давайте разбираться подробно.
Так сложилось исторически
Электротехника — консервативная отрасль. Большое внимание в ней уделяется совместимости с ранее созданными системами, поскольку их замена стоит очень дорого и сопряжена с массой неудобств. Поэтому стандарты, которыми мы пользуемся сегодня, могут восходить к реалиям более чем вековой давности.
Выбор напряжения для электросети — всегда компромисс. Если сделать напряжение слишком низким, оно будет быстро падать из-за сопротивления проводов, и его будет почти невозможно передавать на большие расстояния. Если же напряжение будет слишком высоким, возрастут требования к качеству изоляции и увеличится риск для человеческой жизни.
В первых электрических сетях в конце XIX века в США чаще всего использовали напряжение 110 В. По наиболее расхожей версии, эксперименты Томаса Эдисона показали, что разработанные им лампы накаливания с угольными нитями демонстрировали наилучшее сочетание яркости и долговечности при напряжении около 100 В.
Но при передаче тока возникали потери, связанные с преодолением сопротивления проводов. Поэтому, чтобы потребители гарантированно получали 100 В, напряжение на стороне электростанции решили поднять на 10% — до 110 В. Такое напряжение выдавала «Длинноногая Мэри-Энн» — один из первых массово выпускавшихся электрогенераторов.
Был и второй аргумент в пользу 110 В. Ещё до опытов Эдисона с лампами накаливания широкое распространение получили дуговые электролампы. Несколько их конструкций разработали наши соотечественники Владимир Чиколев и Павел Яблочков.
Опытным путём было установлено, что наиболее устойчивая дуга между угольными электродами горит при напряжении около 45 В. Но дуговым лампам было нужно так называемое балластное сопротивление, иначе в момент зажигания электрической дуги фактически происходило бы короткое замыкание, что могло вывести из строя генератор. Из соображений экономии предлагалось использовать одно балластное сопротивление для двух последовательно соединённых ламп. На сопротивлении падало около 20 В, отсюда 45 + 45 + 20 = 110 В.
Напряжение 110 В было достаточным для типичных электроприборов тех лет и отвечало качеству доступных изоляционных материалов. Но по мере роста числа потребителей Эдисон столкнулся с проблемой балансировки нагрузок, из-за чего где-то лампы горели ярче, а где-то тусклее. Тогда он придумал соединить разноимённые полюса двух генераторов и подавать ток по трём проводам: +110 В, 0 и −110 В. Потребителей распределяли между двумя линиями, и в случае идеальной балансировки ток по центральному проводнику не шёл — что позволяло делать его тоньше. Если же ток всё-таки появлялся, сотрудники Эдисона могли его измерить и понять, как нужно переподключить нагрузку. Переход к трёхпроводной системе позволил сократить затраты меди на 60% в сравнении со старой схемой.
Имелся и другой положительный эффект: более мощные электроприборы — например, электродвигатели — можно было подключить не между линией и нулём, а между двумя разнополярными линиями, получив таким образом напряжение 220 В — впрочем, ещё не те, которые нас интересуют.
Эдисон был сторонником постоянного тока, но будущее оказалось за переменным. Хотя от выбранных опытным путём параметров отказываться не стали, и с поправкой на замену постоянного тока переменным и незначительное повышение напряжения (до 120/240 В вместо 110/220) система двухполярного питания применяется в США до сих пор. Лампочки и маломощные приборы подключают к 110/120 В, а крупную технику вроде электроплит и стиральных машин — к 220/240 В.
Пока в Америке разворачивалась «война токов», в Германии работал российский инженер Михаил Доливо-Добровольский. Исследуя способы передачи электроэнергии на дальние расстояния, он решил сделать отводы от трёх равноотстоящих обмоток электрогенератора. При этом напряжение на каждом из отводов отставало от напряжения на соседнем на треть периода — или, иначе говоря, разность фаз между ними составляла 120°.
Так была придумана трёхфазная система передачи тока, которая применяется и по сей день. И она сыграла свою роль в том, почему сегодня в наших розетках 220 В. Как именно? Вернёмся к рубежу XIX и XX веков.
Анализ заокеанского опыта
В начале XX века во всех промышленно развитых странах, в том числе в Российской империи, активно проводилась электрификация. Часто она шла с оглядкой на американский опыт, но не сказать чтобы по пути полного копирования. Одни электростанции, как и в США, подавали потребителям постоянный ток напряжением 110 В, другие следовали собственным стандартам. Так, в 1900 году «Общие условия пользования электроэнергией от центральной станции…» в Москве предусматривали, что к «вводному ящику» могут подходить 105, 125 или 155 В.
Так или иначе, это было довольно низкое напряжение. Из школьного курса физики вы наверняка помните, что электрическая мощность рассчитывается как произведение напряжения и тока. Если напряжение неизменно, для передачи большей мощности нужно повышать ток, а значит — увеличивать сечение проводов, тратя дорогостоящую медь. Уже в начале прошлого века европейские и русские инженеры писали, что напряжение в 100 с небольшим вольт не отвечает растущим запросам городов и промышленных предприятий. Критиковали и саму систему постоянного тока, которая не позволяла использовать трансформаторы — устройства, способные легко и почти без потерь менять величину напряжения.
В 1914 году по итогам VII Всероссийского электротехнического съезда в новом издании «Правил и норм электротехнических устройств…» было рекомендовано использовать для переменного тока напряжение 220 В. Следующий Всероссийский электротехнический съезд, прошедший после революции 1917 года, предписал использовать трёхфазную систему — как и предлагал Доливо-Добровольский. На стороне потребителя гарантировалось линейное напряжение 210 В, а на стороне генератора должно было быть 220 В.
«Ну теперь-то это те самые 220 вольт?» — спросит читатель. Всё ещё нет! В вышеописанной системе 220 В — это линейное напряжение, то есть напряжение между двумя различными фазами. А фазное напряжение (между любой из трёх фаз и нулём), которое подаётся в дома и квартиры, было в корень из 3 раз меньше, то есть 127 В.
«Получает 220, отдаёт 127…»
Напряжение 127 В господствовало в бытовых сетях СССР до начала 1960-х, хотя ещё в начале 1930-х советские инженеры-электротехники писали, что система 220/127 стремительно устаревает. В рамках модернизации предлагалось сделать величину нового фазного напряжения такой же, какая раньше была у линейного, и получить таким образом систему 380/220 В. К 380 В должно было подключаться промышленное оборудование, а к 220 — бытовое. Выгоды от повышения напряжения были очевидны: для питания той же нагрузки, что и раньше, требовалось почти вдвое меньше меди.
Вновь создаваемые электросети — например, в таких городах, как Витебск, Вязьма, Златоуст, Камышин, Россошь — сразу проектировались под напряжение 380/220 В. Но в городах, где уже имелись достаточно развитые сети старого стандарта, замену можно было осуществлять только постепенно. В Москве начать переход на напряжение 220 В постановили в 1954 году.
Спросите родителей или бабушек с дедушками — может, они вспомнят, что многие электроприборы во времена их юности имели переключатель «127/220 В», чтобы их можно было эксплуатировать и в старых, и в новых сетях. Послушав дома новые пластинки, проигрыватель брали с собой и шли в гости в другой район города, где в электросети было иное напряжение. Забыв повернуть колодку переключателя, можно было сжечь трансформатор.
Приборы с мощными электродвигателями и компрессорами (скажем, пылесосы и холодильники) переключателей напряжения не имели, и для эксплуатации старых моделей в новых электросетях нужны были отдельные понижающие трансформаторы. Тогда же возник анекдот:
— Вовочка, кем работает твой папа?
— Трансформатором.
— Это как?
— Получает 220, отдаёт 127, а на остальные гудит!
Процесс перехода на 220 В затянулся: в жилых домах от напряжения 127 В в основном ушли к концу 1980-х, хотя в отдельных старинных зданиях вроде Большого театра сети на 127 В работали до середины 2000-х.
Аналогичные процессы во второй половине XX века шли в Европе: жители Франции, Бельгии, Швеции и других стран вспоминают переход со 127 (а кое-где — и со 110) на 220 В в 1950–1970-х годах.
Так сколько же вольт в розетке?
Говоря о величине сетевого напряжения, нельзя не затронуть ещё один момент. Ток в наших розетках — переменный. Это значит, что он циклически изменяется по величине и направлению. Если нарисовать график напряжения в сети, он будет иметь форму синусоиды.
Напряжение переменного тока, которое пишут на розетках, — это не максимальное, а так называемое действующее, или среднеквадратичное значение. Оно соответствует величине постоянного напряжения, при котором на той же нагрузке совершалась бы такая же работа.
Говоря, что в розетке переменное напряжение 220 В, мы имеем в виду, что в ней такое напряжение, которое эквивалентно по своему действию постоянному напряжению 220 В. Лампа накаливания, включённая в сеть переменного тока номиналом 220 В, будет гореть так же ярко, как если бы её включили в сеть постоянного тока с «честным» напряжением 220 В.
Поскольку переменное напряжение всё время меняется, а в какие-то моменты вообще равно нулю, для того, чтобы оно производило такую же работу, как и постоянное, его максимальное (или, как ещё говорят, амплитудное) значение должно быть выше. Насколько именно, можно определить, сравнив площади под графиком напряжения — синусоиды в одном случае и прямой линии в другом.
Получится разница в корень из 2 раз. Таким образом, максимальное (амплитудное) значение напряжения в розетке составляет 220 × корень из 2, или примерно 310 В. Если вы когда-нибудь разбирали блоки питания, то могли заметить, что фильтрующие конденсаторы в них рассчитаны на напряжение не 250, а как минимум 350 В — для того, чтобы выдерживать максимальное значение амплитудного напряжения.
Связь времён
Во всех этих числах недолго и запутаться. А насколько простому человеку вообще нужно знать, какое у него напряжение в розетке? Большинство современных гаджетов оснащено электронными адаптерами питания, способными работать при широчайшем диапазоне входных напряжений — от 90 до 250 В. Имея такой адаптер и запас переходников, можно путешествовать по всему миру и даже не заметить, что в одной стране в розетке было 100 В, в другой — 120 В, а в третьей — 230 В. Но для мощных устройств, где в составе есть электродвигатели и нагревательные элементы, правильный выбор напряжения остаётся критически важным.
Напряжение, указанное на корпусе того или иного устройства, — это не просто взятое с потолка число. Это напоминание о многолетней истории поисков, проб и ошибок, в которую внесли свой вклад многие учёные и инженеры всего мира.
Со свойственной ему тщательностью эту тему исследовал руководитель отдела междисциплинарных проектов Политехнического музея Алексей Бутырин. Если у вас тоже есть вопросы, связанные с устройством мира или человека, вы можете задать их в комментариях или в письме по адресу question@polytech.one