Глава первая ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА
Электрическая энергия производится в основном на тепловых и гидроэлектрических станциях. Тепловые электростанции (ТЭС) используют энергию от сжигания угля или газа, гидроэлектростанции (ГЭС) — энергию падающей воды.
ГЭС строят в тех местах, где имеются соответствующие водные ресурсы, где это технически возможно и экономически выгодно. ТЭС удобнее и выгоднее строить в местах больших залежей соответствующего топлива с налаженной их разработкой.
Но там, где удобно построить ТЭС или плотину ГЭС, часто нет такого числа заводов и фабрик, которые могли бы использовать всю энергию электростанции. Тем более, что экономически выгодно строить очень мощные электростанции, вырабатывающие огромные количества энергии.
Для использования всей этой энергии ее следует передать в те районы, где она необходима, — в крупные промышленные центры страны. Однако эти промышленные районы иногда на сотни и тысячи километров удалены от мест выработки электроэнергии. Так, например, Волжские гидроэлектростанции им. Ленина и XXII съезда КПСС расположены в сотнях километров от Донбасса и Урала, в тысяче километров от Москвы.
Чтобы передать энергию на такие большие расстояния, надо построить линии передачи и соединить ими районы производства и потребления электроэнергии. Но нельзя забывать, что при этом часть энергии неизбежно теряется на нагревание проводов линии передачи. Надо стремиться сделать эти потери возможно меньшими.
Известно, что потери в проводах при передаче электроэнергии зависят от силы тока и величины сопротивления проводов.
где 1 — сила тока в электрических проводах, а\
г — сопротивление проводов линии передачи, ом.
Уменьшение потерь за счет снижения сопротивления проводов г невыгодно, так как требует увеличения диаметра провода (его сечения), т. е. требует дополнительного расхода дефицитных материалов, что совершенно недопустимо при больших расстояниях. Очевидно, правильнее идти по другому пути — по пути снижения тока, тем более, что потери в линии пропорциональны квадрату силы тока и ее уменьшение, например, в 2; 3; 4 раза уменьшает потери соответственно в 4; 9; 16 раз.
Однако уменьшение тока не должно отражаться на величине передаваемой по линии мощности — она должна остаться неизменной. Известно, что мощность Р равна произведению тока / на напряжение U, т. е.
где U — напряжение, в; 1 — сила тока, а.
Следовательно, передача постоянной мощности при небольшом значении тока возможна лишь в том случае, если одновременно с уменьшением тока будет возрастать напряжение. Так, если сила тока уменьшится в 2; 3 или 4 раза, напряжение должно соответственно увеличиться также в 2; 3 или 4 раза. Другими словами, при любых изменениях тока и напряжения произведение UI=P должно оставаться неизменным.
Итак, нам становится очевидным путь уменьшения потерь в линии, а именно: снижение тока и увеличение напряжения передаваемой мощности.
Однако по многим техническим причинам генераторы электрической энергии нельзя строить на очень большие напряжения. Даже самые крупные генераторы электрического тока имеют напряжение не более 15—18 кВ. Но такое напряжение можно использовать лишь на небольших расстояниях от электростанции. Чтобы передача электроэнергии на расстояние в несколько сот и даже тысяч километров была выгодной, необходимо значительно большее напряжение (500; 750 кВ и даже более).
В этом случае и приходит на помощь трансформатор — электромагнитный аппарат, который преобразует переменный ток напряжения генератора в переменный ток более высокого напряжения, необходимого для линии передачи. Трансформатор, повышающий напряжение, называется повышающим. В конце линии передачи, там, где начинается распределение энергии между потребителями (заводами, фабриками, жилыми домами и др.), необходимы трансформаторы, которые снижали бы напряжение линии до напряжений, необходимых потребителям. Такие трансформаторы называются понижающими.
Обычные напряжения, на которые строят электрические двигатели, электробытовые приборы, электролампы, — это 127; 220 и 380 в. Именно при таких сравнительно небольших напряжениях удается использовать электрический ток, достаточно просто ограждая людей от опасности поражения им.
Однако, чтобы снизить напряжение линии, приходится использовать большое число понижающих трансформаторов, которые распределяют энергию между отдельными группами потребителей. В зависимости от энергии, необходимой той или иной группе потребителей или отдельному потребителю, строят трансформаторы на различные мощности и напряжения. Современные трансформаторы выполняют на мощности от нескольких вольтампер до сотен тысяч киловольт-ампер, а мощность всех установленных сейчас трансформаторов в 6—7 раз больше мощности генераторов, вырабатывающих электрическую энергию.
