Различные страны с различным напряжением в сети

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой мультиметров, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Ещё в начале 20-го века Эдисон много экспериментировал, чтобы найти «золотую середину» напряжения для ламп накаливания. То есть, наибольшее количество люменов против срока службы нити накаливания. Он остановился на 110 вольтах как на лучшем компромиссе, учитывая тогдашнее современное состояние конструкции нити накаливания. 60-цикловый переменный ток был определён Теслой как подходящая скорость для асинхронных двигателей. Кроме того, в 1890 году было решено, что дуговые лампы работают лучше, используя 60 циклов вместо более низких частот. В начале 1970-х годов электротехническая промышленность в США подняла напряжение до 120/240 вольт, со 110/220 вольт в США. Возможно, это было сделано для того, чтобы приспособиться к растущему потреблению электроэнергии потребителями.

Более высокое напряжение позволяет использовать провода меньшего размера для той же мощности (ватт), поскольку ватт равен вольтам, умноженным на амперы, можно удвоить напряжение, как в Европе, и потреблять половину силы тока, чтобы получить ту же мощность. Это позволяет использовать провода меньшего размера.

Нагрев проводов обусловлен рядом факторов, таких как:

1. Тип провода, например, медный или алюминиевый.

2. Размер провода, например № 12 или № 14.

3. Число ампер, протекающих по проводу.

4. Изоляция, покрывающая провод.

5. Воздушный поток вокруг провода.

6. Температура окружающей среды.

Вопреки интуиции, в этом примере больший размер провода — № 12, а не 14. № 10 больше, чем № 12.

Более высокое напряжение не вызывает непосредственного нагревания, в отличие от более высокой силы тока, при прочих равных условиях.

Таким образом, используя более высокое напряжение, можно уменьшить сечение провода при той же величине передаваемой мощности (ватт).

Другой пример — при передаче большого количества энергии на большие расстояния, как это делают энергетические компании, напряжение чрезвычайно высокое, например, сотни тысяч вольт, что позволяет энергетическим компаниям использовать кабели меньшего размера. Поскольку тепловые потери в проводниках в основном зависят от АМПЕРА, более высокое напряжение снижает потери в линии. Есть и другие факторы, которые следует учитывать, такие как потери на корону (ионизацию воздуха) при использовании чрезвычайно высокого напряжения. Воздух фактически начинает проводить электричество.

Европа, наблюдая за развитием электротехники в США, удвоила 110/220 вольт до 220/240, чтобы уменьшить размер проводов и, следовательно, расходы на электропроводку. Европа, изучив плюсы и минусы 60 циклов и тока 110/240 В, решила, что 50 циклов и 220 В вольт более рентабельны, чем система США. Они также выбрали 50 циклов вместо 60 циклов, потому что генерация тока 50 циклов допускала более медленные скорости первичного двигателя, такие как скорость дизельного двигателя, скорость турбины и т. д., что уменьшало износ оборудования.

С точки зрения использования, разница между 50 циклами и 60 циклами невелика. Шесть из одного и полдюжины из другого. Однако, более низкие частоты требуют немного больше трансформаторного железа, поэтому потребовались немного более тяжелые размеры трансформатора, что, по-видимому, компенсировалось снижением затрат на проводку. Кроме того, меньшие размеры проводов снижают затраты на установку, поскольку меньший провод проще в установке.

Другим фактором при передаче мощности на большие расстояния, как в электросети, является то, что более высокие частоты вызывают большие потери в линии из-за возросшего влияния индуктивности и ёмкости. На более высоких частотах следует учитывать скин-эффект. При 50–60 циклах скин-эффект оказывает незначительное влияние на проводники.

Как только мы добираемся до радиочастот в диапазоне килогерц, начинает иметь значение скин-эффект. Скин-эффект обусловлен вихревыми токами в кабеле, которые вызваны индуктивностью переменного тока, «подталкивающей» ток к поверхности проводника, что эффективно уменьшает площадь поперечного сечения проводника, что увеличивает сопротивление.

Коммерческие самолеты используют 400 циклов, поскольку экономия веса на самолетах важна, а меньшие бортовые трансформаторы и электрооборудование экономят вес. Размер трансформаторов обратно пропорционален используемой частоте. Поэтому в системах с более высокой частотой можно использовать меньшие и более легкие трансформаторы.

И, как уже отмечалось, как только инфраструктура будет настроена на конкретные напряжения и частоты, затраты на переход с одного стандарта на другой станут ненужными и непомерно высокими.

Работать с напряжением 240 вольт опаснее, чем со 120 вольтами, потому что при заданном сопротивлении, например, сопротивлении человеческого тела, сила тока, проходящая через тело, будет выше. Тело чувствительно к току (амперам), проходящему через него, особенно через сердце. Длительный ток силой около 30–50 миллиампер убьет большинство людей из-за электрических помех сердечному ритму. 

Люди спрашивают, что опаснее, переменный или постоянный ток? Переменный ток нарушает сердечный ритм и может вызвать фибрилляцию желудочков сердца, которая, если её не лечить немедленно, приведет к смерти. Предупреждающие знаки о высоком напряжении подразумевают, что высокое напряжение убивает. На самом деле убивает сила тока, но напряжение толкает амперы, поэтому предупреждения о высоком напряжении на самом деле означают, что напряжение достаточно высоко, чтобы протолкнуть достаточно ампер, чтобы убить вас. Для смерти не требуется большой силы тока через грудь, 10 мА часто бывает достаточно.

Постоянный ток имеет тенденцию заставлять мышцы хвататься за проводник, так что жертва не может его отпустить. Эффект нагревания из-за сопротивления тела является важным фактором при ударах постоянным током.

Когда я служил на флоте помощником электрика, корабельное питание вырабатывалось на 450 вольт 60 циклов и до сих пор так на многих кораблях ВМФ. Нас часто предупреждали, что 120 вольт — это «смертельный корабельный товарищ», возможно, потому, что электрики считали 120 вольт более безопасными, чем 450 вольт, и были более беспечными. Я видел вспышки дуги в 450 вольт, и скажу вам, вспышки дуги ВПЕЧАТЛЯЮЩИЕ и опасные.