Коротко познакомившись с основными источниками и потребителями электроэнергии, нельзя считать, что тебе открылась картина современной большой электроэнергетики. В этой картине пока не хватает исключительно важного звена — системы транспортировки и распределения электрической энергии, её доставки от генератора к потребителю. Нажимая на кнопку выключателя настольной лампы, мы, конечно, понимаем, что электричество приходит в наш дом с электростанции, и приходит по проводам. Но большинство пользователей, скорее всего, не знает, как много на этом пути устройств преобразования, переключения и распределения электроэнергии, приборов контроля, управления и защиты, насколько сложным бывает то, что скромно называется «электрическая сеть».

Детальное знакомство с электрическими сетями нужно, разумеется, лишь специалисту, но получить некоторые общие сведения о сетях полезно каждому, кто хочет представить себе, как в нашем мире работает электричество.

Т-186. Незаменимый вклад реальности. В конце сороковых годов только что ушедшего столетия, то есть больше, чем шестьдесят лет назад, отечественное электронное телевидение сформировалось как область техники и технологии, готовая служить миллионам. Институты уже готовили инженеров-телевизионщиков, студенты учились по прекрасным новым учебникам телевидения, делали лабораторные работы, защищали курсовые проекты по телевизионным передатчикам, приёмникам, антеннам. Но при этом многие без пяти минут инженеры никогда не видели живого телевизора — телецентры были только в Москве и Ленинграде. В то время автор оканчивал радиотехнический институт далеко от Москвы, сдал курс телевидения и, завершая работу над дипломным проектом по телевизионной тематике, впервые увидел телевизионную картинку (разумеется, чёрно-белую, о цветной в те времена даже не фантазировали), когда попал в Ленинград на преддипломную практику. Прекрасно понимая, как всё это делается, откуда, куда и какие идут ТВ-сигналы, где и как они обрабатываются, как формируется картинка, я был просто потрясён, когда увидел её живьём, на всю жизнь запомнил этот момент и кадры из венгерского фильма «Мишка-аристократ» на маленьком контрольном телевизоре в аппаратной Опытного ленинградского телецентра. С этой картинкой пришло совсем иное отношение к тому, что я знал о телевидении, — таков незаменимый вклад реальности.

Мы с вами постепенно приблизились к нынешнему крупномасштабному производству электроэнергии. Сначала предстали перед нами его физические основы, например электромагнитная индукция, затем появилась вращающаяся в магнитном поле рамка и, наконец, настоящий генератор. Настал момент сделать последний шаг — взглянуть на настоящую электростанцию. Из нескольких её типов для этого путешествия лучше всего, пожалуй, выбрать (если будет возможность выбирать!) самую распространённую тепловую станцию.

Перед тем как вы отправитесь на экскурсию, вспомните, пожалуйста, то, о чем уже говорила эта книга, с чего мы с вами начали. Ни детальный рисунок, ни подробный комментарий к нему, ни попытки образного описания чего-либо не могут заменить незаменимого — личного впечатления, реального знакомства. Чтобы почувствовать, что такое мир, в котором мы живём, надо своими глазами увидеть некоторые его важные фрагменты, например, большой аэропорт, сельскохозяйственную ферму, госпиталь, автоматизированное производство компьютеров, морской лайнер, научный центр, автомобильный завод, университет, полиграфический комбинат и, конечно, крупную электростанцию, которая даёт силу всему, что работает вокруг нас.

ВК-234. Человек построил холодильники, хранилища пищевых продуктов. Существуют хранилища металлов, тканей, водохранилища. Но нет у нас больших хранилищ электрической энергии. Пока эту задачу решают батареи конденсаторов большой ёмкости, но они рассчитаны на малые напряжения и пока ещё не очень пригодны для электромобилей. Можно бы хранить энергию в магнитном поле катушек, но для них нужны обмотки без потерь. Так что проблема электрических кладовых остаётся открытой.

Тепловая электростанция, сокращённо ТЭС, начинается с подъездных железнодорожных путей, по которым ей доставляют топливо, например уголь или мазут. Если ТЭС питается газом, то он, скорее всего, приходит с какой-либо районной распределительной станции по трубопроводам и, конечно, проходит через контрольно-распределительный отдел самой электростанции. Он имеет свои органы управления и контрольные приборы, позволяющие, например, оценить входное давление и поступление газа и его расход. Если будете на станции, потребляющей уголь, обязательно обратите внимание на участок разгрузки вагонов — в большинстве случаев это делается, как принято говорить, без прикосновения человеческой руки (Р-87). Подобные автоматы-разгрузчики уже давно стали своего рода символом освобождения человека от тяжёлого физического труда.

Не пожалейте времени на машинный зал и постарайтесь вспомнить то, что мы с вами уже обсуждали касательно машин, которые вы в нём увидите. Поинтересуйтесь сроком плановых осмотров или остановок той или иной машины для профилактического осмотра и текущего ремонта. Обратите внимание на размеры машин — длина мощного электрогенератора может составлять несколько метров, и конструкторы, стремясь к повышению мощности, сделали бы его ещё длиннее, если бы не опасность провисания тяжёлого ротора. Это мы с лёгкостью говорим «допустимое провисание», на самом деле решения здесь принимаются на основе многократных испытаний, анализов металла и расчётов с микронной точностью.

Путешествие по машинному залу покажет вам, разумеется, не всё, что участвует в производстве и поставках электроэнергии, на пути к потребителю она проходит через невидимые преобразования в сложном сооружении, которое называется «электрическая сеть». Образно говоря, бригады электрических работников прибывают к нам с электростанции по медному проводу со многими пересадками.

ВК-235. Полоса частот передатчика — серьёзная проблема для длинных и средних волн, где общая частотная территория невелика. На ультракоротких волнах (УКВ) и в более высокочастотных диапазонах частотные «пространства» велики и легче находят место передатчикам с широкой полосой. В этих диапазонах работают станции с частотной модуляцией и высоким качеством звука и телевизионные передатчики, каждому из которых нужна полоса, достаточная для сотен средневолновых радиостанций.

Т-187. Машины тысячекилометровых размеров — электрические сети и системы. Одна из главных забот при передаче энергии с электростанции к потребителю — снижение потерь. Даже сейчас, когда для этого, казалось бы, сделано всё возможное, мировые потери при транспортировке электричества составляют примерно 10 % от всей добываемой электрической мощности. Главный способ снижения потерь — это переброска электрической энергии по линиям электропередачи при высоком напряжении и по возможности не очень больших токах (Р-78). Генератор электростанции даёт на выходе 10–15 кВ, для транспортировки больших мощностей на большие расстояния этого недостаточно. Увеличить выходное напряжение генератора нельзя, это недопустимо усложнит его. Поэтому перед отправкой в дальний путь электричество поступает на подстанцию, где мощные трансформаторы повышают напряжение, и по дальним линиям электропередачи (ЛЭП) уже идут десятки и сотни тысяч киловатт при напряжении, увеличенном до многих десятков и сотен тысяч вольт.

Казалось бы, можно и дальше снижать потери, ещё больше увеличивая напряжение, но здесь тоже есть свои ограничения. Например, потери, связанные с коронным разрядом: высокое напряжение ионизирует воздух вокруг проводов, затрачивая на это энергию. Да и само оборудование линий передачи и трансформаторных подстанций с ростом напряжения становится сложнее и дороже. Когда-то даже была такая популярная в народе песня «ЛЭП-500 непростая линия…», в песне говорилось о линии электропередачи ЛЭП-500, то есть передающей электрическую энергию при напряжении 500 киловольт, полмиллиона вольт.

ВК-236. В таблице цифры, подтверждающие высказывания в подписи к предыдущему рисунку. Диапазоны, начиная с УКВ и с более высокой частотой, имеют серьёзный недостаток: их радиоволны распространяются лишь на расстояние прямой видимости и даже при высоких антеннах больше 30–50 километров обычно не проходят. Но этот недостаток имеет огромное достоинство — станции, расположенные на расстоянии порядка 100 километров, могут работать на одних и тех же частотах, не мешая друг другу.

Для потребителя, разумеется, нужны сравнительно невысокие напряжения — и машины для них проще, и правила техники безопасности не столь суровы. Поэтому любая высоковольтная линия в конце концов приходит на подстанцию или на цепочку станций, с последней из которых получают энергию жилые районы городов и где трансформаторы понижают высокое напряжение до 380/220 В. Здесь первая цифра 380 В указывает линейное напряжение в трёхфазной системе (звезде), вторая цифра 220 В — это фазовое напряжение (оно всегда в 1,7 раза меньше линейного), которое и поступает в наши квартиры.

Крупные промышленные предприятия получают более высокое напряжение и уже на своих собственных подстанциях понижают его в той или иной степени, одновременно распределяя по многим своим потребителям. Вообще же в России, как и во многих других странах, приняты такие стандарты напряжения: 220 В, 380 В, 660 В, 3 кВ, 6 кВ, 10 кВ, 20 кВ, 35 кВ, 110 кВ, 150 кВ, 220 кВ, 330 кВ, 500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ. Пробел между первыми тремя цифрами и остальными должен напомнить, что эти первые три напряжения получает потребитель, причём 660 В только потребитель, связанный с производством. Все последующие напряжения, то есть от 3 до 1150 кВ (от 3 тысяч до 1,115 миллиона вольт), используются для дальней переброски энергии в электрических сетях.

Т-188. При необходимости электричество можно передавать по обходным путям. Создатели электрической сети для разных её участков подбирают напряжение с учётом расстояний и нагрузки, нередко повышают или понижают его ступенчато на трансформаторных подстанциях. При этом стараются создать возможность манёвра на случай неполадок на каком-то участке сети или при её профилактическом ремонте. И на подстанции один из двух рабочих трансформаторов, как правило, рассчитан на то, чтобы взять на себя часть чужой нагрузки, обеспечивая энергоснабжение особо важных объектов пострадавшего района. Подстанции, кстати, бывают закрытые, то есть в помещении, и на открытом воздухе, но, разумеется, защищенные от осадков и нормально работающие в любую непогоду.

ВК-237. Недостаток высокочастотных диапазонов «ближнего действия» удалось ликвидировать несколькими разными способами. Сегодня сигналы станций, работающих в этих диапазонах, передаются практически на любое расстояние либо по радиорелейным, либо по кабельным линиям с промежуточным усилением сигнала. На огромные расстояния перебрасывают радиосигналы спутники, в том числе на стационарной орбите (высота примерно 36 000 км), то есть всегда висящие над определённым большим регионом.

Так что электрические сети — это не только провода, по которым электрический ток идёт с электростанции в жилые дома или на заводы. Сеть — это сложная электрическая машина, в которую наряду с линиями электропередачи входят подстанции с мощными трансформаторами, системы контроля, сигнализации, связи, автоматической защиты, переключения силовых линий. В сеть может входить не только много разных потребителей, но и несколько поставщиков энергии, несколько электростанций. Сети имеют разную конфигурацию, часто это кольцо, объединяющее электростанции, или расходящиеся от них радиальные ветви.

Есть у крупной сети и свой центр управления, где множество приборов на большом контрольном пульте рассказывает диспетчерам и руководителям системы о режиме разных её участков, групп потребителей, отдельных подстанций. Имеющаяся в системе управления автоматика мгновенно заметит любое опасное изменение режима и подаст сигнал. Прямо с пульта дежурные специалисты могут ввести в систему необходимые команды управления, чтобы поддержать нормальную доставку энергии миллионам людей, использующих её в своей работе и в жизни.

Т-189. Вращение Земли как элемент технологии. Крупные сети часто объединяются в ещё более крупные, охватывающие огромный регион, целую страну или даже разные страны и континенты. Такая гигантская сеть носит довольно скромное название — энергетическая система. В Российской Федерации около двадцати крупных энергетических систем: Мосэнерго, Ленэнерго, Уралэнерго, Дальэнерго и другие. И все эти энергетические гиганты объединены в суперсистему, в ЕЭС — Единую энергетическую систему страны. Причём это не только административное и экономическое объединение: Единая энергетическая система — это техническая реальность, позволяющая в трудную минуту подбрасывать на черноморские курорты электроэнергию московских ТЭЦ или помогать уральским энергетикам, посылая им электричество с далёких западных или восточных ГЭС.

Достоинства больших энергетических систем — возможность манёвра, разумное использование мощности электростанций, бережная их эксплуатация за счёт подмены для профилактических и ремонтных работ или реконструкции. Но, кроме того, уже стало повседневной технологией перераспределение нагрузки в больших системах, следуя за вращением Земли. Мощные электростанции, например, постепенно переключаются с восточных районов на более западные по мере того, как максимум утренней или вечерней нагрузки смещается с востока на запад.

В технологию энергоснабжения вошло уже и движение нашей планеты вокруг Солнца — в период весенних паводков с максимальной мощностью работают ГЭС, позволяя снизить расход топлива на ТЭЦ или остановить какие-то их агрегаты для ремонтных работ. Появление больших энергосистем позволило в целом заметно увеличить реальное количество электроэнергии, поставляемой потребителю.

ВК-238. В диапазоне сантиметровых радиоволн работают приёмопередатчики миниатюрных аппаратов в системе сотовой связи. Через свой аппарат абонент связывается с местной радиостанцией, которая кабелем связана с центральным коммутатором телефонной станцией региона. Он соединит вызывающего с другим абонентом, в том числе и с тем, кто тоже пользуется сотовым аппаратом. В этом случае вызываемый абонент автоматически подключится к коммутатору через приёмопередатчик своего аппарата.

Т-190. Непростое электрическое хозяйство потребителя. Практически во всём мире, согласно законам, договорам, договорённостям и просто здравому смыслу, производитель подводит электроэнергию, так сказать, к воротам потребителя, и дальше тот сам уже занимается её распределением и использованием. На любом промышленном предприятии для этого создаётся мощный электроцех, у которого огромное электрическое хозяйство: внутренние сети, множество разных двигателей и осветительных приборов, специальное оборудование, например, установки для закалки металла или электрические печи, распределительные щиты с контрольными приборами и автоматикой, трансформаторы, внутризаводской электрический транспорт.

Чтобы управиться со всей этой техникой, в электроцехе работает немало специалистов. И на любом крупном предприятии, наряду с такими известными должностями, как главный конструктор и главный технолог, есть не очень известная широкой публике должность главный энергетик.

Есть организации, которые контролируют потребление электроэнергии в жилых районах городов и в сельских населённых пунктах, но так сложилось, что о своём личном энергетическом хозяйстве в основном думают сами пользователи, зная, какие электрические приборы находятся у них в пользовании и что нужно делать для их исправной и безопасной работы.

ВК-239. В диапазоне сантиметровых волн (его чаще называют диапазоном СВЧ — сверхвысоких частот) работают спутниковые системы радионавигации. В некоторых приёмник абонента, желающего узнать, где он находится, принимает сигналы с нескольких спутников, электронный блок, обработав полученную информацию, по ней с высокой точностью вычисляет местонахождение приёмника. По картам, извлечённым из памяти, система вычисляет и показывает на экране короткий путь к выбранной цели.