5.22. Высоковольтные линии передачи

Почему электрическую энергию передают при высоких напряжениях и малых токах, а не при низких напряжениях и больших токах? Поскольку мощность — это произведение тока на напряжение, в этих двух случаях мощность должна быть одной и той же. Почему передача происходит с использованием переменного тока (обозначается буквами АС), который изменяется как по направлению, так и по величине, а не постоянного тока (обозначается буквами DC), который не меняется?

Когда высоковольтная линия передачи требует ремонта, компания-поставщик не может просто отключить ее, поскольку для этого иногда пришлось бы оставить без света целый город. Ремонт должен проходить при работающей, то есть находящейся под напряжением, линии. Оборудование, необходимое для ремонта, включает в себя вертолет, зависающий над высоковольтной линией, к посадочному шасси которого приделана платформа, и на одном ее конце сидит техник-ремонтник. Почему, когда техник приближается к проводу и берется за него, его не бьет током?

В ряде районов высоковольтные линии представляют собой главную угрозу для популяции птиц. Очевидно, птицы могут пораниться или погибнуть, если врежутся в провод. Но опасность их подстерегает и если они сядут на провод, опору или вышку, к которой крепятся высоковольтные провода, как на насест. Почему?

ОТВЕТ • Когда электрический ток идет по проводам, часть электрической энергии теряется, превращаясь в тепловую энергию, поскольку электроны (их перенос и образует ток) при движении по электрической цепи сталкиваются с атомами. Количество теряемой при столкновениях электрической энергии пропорционально сопротивлению провода и квадрату тока. И поэтому, чтобы уменьшить потери, для передачи электрической энергии нужно использовать малые токи. Так что если требуется передать достаточно большую энергию, напряжение должно быть высоким (сегодня самые высоковольтные эксплуатирующиеся линии — на 500 или 765 кВ). В цепях, предназначенных для снабжения электроэнергией домов, ставится трансформатор, понижающий напряжение до необходимого уровня и повышающий ток, значение которого ограничивается сверху с помощью электрических реле и плавких предохранителей.

Вначале поставщиком электричества в США была компания Томаса Эдисона, и при передаче энергии использовался постоянный ток. Позже энергию стала поставлять компания Джорджа Вестингауза, и она использовала уже переменный ток. Соперничество компаний было довольно жестким, каждая из них стремилась доказать, что именно ее способ передачи безопаснее, чем способ конкурента. Представители Эдисона провели ряд демонстраций, на которых безжалостно подвергали ударам тока собак, чтобы показать, насколько опасен переменный ток. Однако в конце концов Вестингауз выиграл соревнование, в основном по практическим соображениям. Он смог передавать энергию при высоком напряжении, а затем с помощью трансформаторов понижать его и подавать в таком виде в дома. Преобразовать низкое постоянное напряжение в высокое (для передачи) и обратно в низкое (для потребителя) в то время было крайне трудно. Сегодня это преобразование осуществляется полупроводниковыми приборами, и если бы человечество сегодня делало выбор между постоянным и переменным напряжением, все могло бы сложиться иначе.

Когда техник приближается к проводу находящейся под напряжением высоковольтной линии передачи, электрическое поле, которым окружен провод, наводит на его тело потенциал, почти равный потенциалу провода. Чтобы уравнять потенциалы, техник протягивает к проводу проводящий шест, и между внешним концом шеста и проводом может проскочить искра, отчего рука может слегка онеметь. Чтобы избежать удара током, техник должен быть изолирован от всех предметов, электрически замкнутых на землю, а его тело должно все время находиться при одном и том же потенциале, равном потенциалу провода, по которому идет ток и с которым он собирается работать. Для этого он надевает комбинезон, шапку и перчатки из проводящего материала и с помощью проводящего шеста подсоединяется к проводу.

Птица может сидеть на высоковольтном проводе и чувствовать себя в безопасности, поскольку ее сопротивление току гораздо больше, чем сопротивление участка провода между ее лапками. Однако если большая птица опустится на провод достаточно близко к заземленной опоре высоковольтной линии, она может закоротить цепь, и возникнет то, что называется пробоем: ток потечет в землю через птицу и убьет ее.

Хотя этот вид пробоя иногда случается, гораздо более вероятен другой его вид, связанный с птичьим пометом. Если птица сядет на какую-то часть заземленной опоры, например на перекладину, под которой натянут провод, то жидкие экскременты могут образовать электрическую цепь, соединяющую птицу с проводом, в результате возникнет пробой. Проблемы могут возникнуть и из-за накопления на проводах экскрементов, пусть даже и твердых. Ведь дождь, град или снег могут их размочить, и электрическая цепь с проводом замкнется. В районах, где бывает много снега и льда, замыкание электрических цепей вообще является проблемой, а птичий помет усугубляет дело, поскольку способность воды проводить ток возрастает при растворении в ней ионов, содержащихся в экскрементах.