Сравнение систем электроснабжения низкого напряжения России и западных стран

Введение.

Вопрос об отличиях построения электрических сетей в западных странах и России интересен, прежде всего, потому, что развитие сетей в каждой стране имеет свою историю, свои преимущества и недостатки.

Россия имеет более централизованную энергосистему, в то время как зарубежные страны стремятся к децентрализации энергетики. Более холодный климат и большая территория России требует больших затрат на отопление и транспортировку энергии. Требуется устанавливать более надёжные конструкции опор, способные выдерживать нагрузки, связанные с особенностями климата, в частности, с обледенением проводов. Использование возобновляемой энергетики в России рентабельно не во всех регионах, например, использование солнечных батарей эффективно в южной части страны, а ветряных электростанций - в основном в прибрежных зонах. Главной целью развития энергетики, согласно энергетической стратегии России до 2030 года, является «создание инновационного и эффективного энергетического сектора страны, адекватного как потребностям растущей экономики в энергоресурсах, так и внешнеэкономическим интересам России, обеспечивающего необходимый вклад в социально ориентированное инновационное развитие страны» [1].

Энергетическая стратегия западных стран ставит перед собой цель создания безопасной, устойчивой энергетической системы, которая основана на передовых возобновляемых технологиях добычи энергии, не наносящих ущерб экологии. Стратегия включает в себя выделение больших денежных средств на развитие технологий безо пасны х, Агротехника и энергообеспечение. – 2024. – № 3 (44)                          13

возобновляемых источников энергии, разработку энергоэффективных технологий и снижение зависимости страны от поставок импортных энергоресурсов [2].

Цель работы заключается в анализе существующих энергетических систем и планов по их развитию в России и западных странах, выявлении их преимуществ и недостатков.

Материалы и методы исследования.

В качестве материалов для сравнительного анализа использовались материалы из различных источников, включая статистические данные электрических компаний и правительственных, научных организаций. Так же были проанализированы общедоступные данные международных организаций, таких как Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Международное энергетическое агентство (МЭА). Проанализировано законодательство и нормативно-правовая база России, США и Европы, регламентирующая регулирование электроэнергетики стран. Электроэнергетические системы разных стран могут значительно отличаться. Каждая страна имеет свою топологию построения электрических сетей, организацию, применяемые технологии и оборудование. Отличаются порядок подключения к электрическим сетям, правила тарифообразования. Всё это определяет функционирование и направление развития электроэнергетики.

Результаты и обсуждение.

Одним из главных отличий электроэнергетических систем стран является различие систем напряжений и частот электрических сетей. Так в России в качестве низкого напряжения принято напряжение 230 В, частота составляет 50 Гц. В таких странах, как Канада и США, преобладает напряжение 120 В при частоте 60 Гц. В Европейских странах, как и в России, напряжение и частота равняются 230 В и 50 Гц соответственно. Разница между питающим напряжением в США и России, прежде всего, связана с историческими событиями в энергетике. Изначально централизованная электрическая сеть была зарегистрирована в США с постоянным напряжением 110 В (в 1880 году Т.А. Эдисоном).

Позже, по предложению Николы Теслы, в системах электроснабжения стал использоваться переменный ток, и напряжение, с целью минимизации потерь электроэнергии, было увеличено до 120В. К преимуществам такого напряжения можно отнести то, что оно, в сравнении с 220В, является менее опасным. В то же время передача на данном напряжении значимой мощности, хотя бы в несколько кВт, требует завышенного сечения проводов. Таким образом, сложились предпосылки для следующего шага развития систем электроснабжения в частном секторе. Он заключается в создании такой системы, когда на ввод потребителя подаются две фазы противоположного напряжения и ноль, что позволяет использовать более мощные электрические приборы с питанием от 240 В, а менее мощные – от 120 В [2].

Переходить на единый с Европой стандарт напряжения США не выгодно по причине необходимости колоссальных денежных вложений для модернизации электрической сети, но в этом вопросе есть и политические нюансы. Разные стандартны напряжения иметь выгодно, так как это позволяет бороться с импортом европейской техники, поддерживая производство техники собственного производства. На практике же, сеть с фазным напряжением 220-230 В, принятая в России и Европейских странах, позволяет выдерживать большую нагрузку при меньшем сечении (или количестве) проводников [3, 4].

Различие частоты предполагает использование электрооборудования, предназначенного под определенную сеть. Так, например, у электродвигателей, разработанных под частоту 60 Гц и подключенных в сеть 50 Гц, могут снизиться частота враще ния вала. Следует понимать, что и эффект от механического охлаждения тоже 14                  Агротехника и энергообеспечение. – 2024. – № 3 (44)

снизится, что может вызвать перегрев с возможностью выхода электродвигателя из строя.

На этом отличия не оканчиваются. Существуют различия и в конфигурации сетей. В России для питания потребителей на низком напряжении применяется четырехпроводная, или пятипроводная система, состоящая из трех фазных проводов, нулевого совмещённого, или нулевых рабочего и защитного, проводов. Питание потребителей осуществляется через мощные силовые трансформаторы с высшим напряжением 10 кВ (реже 35, или выше, кВ), в то время как в США применяются маломощные трансформаторы с высшим напряжением 7-

14 кВ (рисунок 1) [5] При этом в США в 85% преобладает двухфазная система, позволяющая получать 120 и 240 В на потребителе.

а)

Рисунок 1 – Схема обмоток однофазного трансформатора 7,2/0,12 кВ (а) и его

б)

внешний вид (б)

Трехфазная система менее распространена, хотя для больших домов может так же применяться. В зависимости от схемы соединения на трансформаторе могут быть получены различные напряжения. Для схемы «звезда с нулем» (рисунок 2, а) это фазное напряжение 120 В и линейное 208 В. При соединении вторичной обмотки по схеме треугольника «на высокой ноге» (Delta High Leg) (рисунок 2, б) появляется возможность получения фазного напряжения двух номиналов - 120 и 208 В, и линейного, соответственно, 240 В.

Рисунок 2 – Схема соединения обмоток трехфазного трансформатора «звездой с нулем» (а) и

«треугольник - треугольник на высокой ноге» (б), применяемых в сетях США

Применение маломощных трансформаторов обеспечивают надежность работы электрической сети. В случае выхода из строя одного из трансформаторов остальные участки сети продолжают работать в нормальном режиме без перебоев. Кроме того, к плюсам применения маломощных трансформаторов можно отнести удобство, связанное с их размещением, что, соответственно, облегчает установку, обслуживание и эксплуатацию как в плане удобства, так и денежных затрат. Вопрос энергоэффективности такого решения открыт. С одной стороны, снижаются потери в сети низкого напряжения, с другой – возрастают потери в трансформаторах вследствие их большого количества. Проектные расчёты на примере сельского населённого пункта показали, что потери электроэнергии по традиционному для России варианту и варианту с однофазными трансформаторами весьма близки, разница не превысила 5%.

Для считывания показаний счетчиков в США применяются системы автоматического учета, которые улучшают контроль и управление нагрузками [6].

В России, при участии Яблочкова, первая электрическая станция была построена в 1879 году для освещения Литейного моста в Петербурге. Размещалась она на барже и была мощностью 35 кВт. В Москве первая городская электрическая станция по проекту В. Н. Чиколева появилась в 1881 году [7]. Первые электростанции в основном вырабатывали постоянный ток. В конце 60х годов начался постепенный переход от напряжения в 127 В к 220 В из-за того, что электрические сети перестали справляться с возрастающей нагрузкой потребителей. Повышение напряжения электрической сети позволило передавать напряжение большие мощности.

В России также широко применяются системы считывания, также технологии удаленного управления и контроля, умные счётчики.

Если посмотреть, как организовано заземление в США и России, то здесь также можно наблюдать ряд отличий. В США применяется система заземления TN-C-S, показанная на рисунке 3а, которая предусматривает разделение нулевого рабочего (N) и нулевого защитного проводников (PE) в определенном месте системы. В России же, согласно ГОСТ Р50571 и обновленной редакции ПУЭ, содержится предписание о необходимости установки на всех ответственных объектах системы заземления TN-S, где нулевой рабочий и нулевой защитный проводники разделены по всей протяжённости линий электропередачи (Рисунок 3б). Хотя в большинстве случаев также применяется система заземления TN-C-S [8].

Рисунок 3 – Системы заземления: а) TN-C-S и б) TN-S

Не смотря на некоторые различия, заземление в России и США выполняется схожим образом и, прежде всего, является важным элементом электробезопасности, обеспечивая защиту человека от поражения электрическим током за счёт снижения напряжения прикосновения [9, 10, 11, 12].

Выводы

Проведенный анализ показал, что системы электроснабжения России и западных стран имеют свои отличия и особенности, связанные с напряжением, частотой и заземлением. При взаимодействии между ними необходимо учитывать эти различия и применять электрическое оборудование соответствующее электрическим сетям, в которых его планируется использовать. Система высокого напряжения в России дает преимущества в энергоэффективности и передаче электроэнергии на большие расстояния, но требует соответствующих мер безопасности. Низкое напряжение и повышенная частота в системах электроснабжения США обеспечивают большую безопасность для потребителей, но в случае использования оборудования завезенного с других стран может потребоваться дополнительное оборудование по адаптации прибора к подключаемо электрической сети. Различия в организации электрических сетей обусловлены историческим развитием, нормативными требованиями и технологическими особенностями каждой страны. Все эти отличия имеют как свои преимущества, так и недостатки и ограничения, которые должны быть учтены при разработке электросетей на процессе подбора соответствующего оборудования.