Глава 1: Когда мир был темным
Лена представила, как это было:
— Свечи, керосиновые лампы... Вечером только их тусклый свет освещал комнаты в домах.
— Лампочка казалась настоящим чудом! — воскликнул Августин. — Но света она давала совсем немного! Мощность ее была 15-20 ватт. Сегодня фонарик в телефоне светит ярче!
— Представьте: вся ваша семья живет в одной комнате. И в ней одна такая тусклая лампочка, — добавила Даша.
— Да еще пользоваться ей можно было только по расписанию, — пояснил Аким. — Один человек мог израсходовать примерно 15-20 киловатт-часов электроэнергии в месяц! Если потратил больше – свет могли отключить насовсем!— Да уж! Электричество действительно было роскошью! — заключил Августин. — Я читал: страна только начинала массовую электрификацию.
— Благодаря ей появились электростанции, они вырабатывали электроэнергию. И линии электропередач. По ним электричество попадало в дома и на предприятия, — сказала Лена.
— А как обстоит дело сегодня? Давайте разбираться! — предложила Даша.
Киловатт и Киловатт-час: В чем разница?
Представь, что киловатт (кВт) — это СКОРОСТЬ, с которой прибор «пожирает» электричество.
А киловатт-час (кВтч) — это ОБЪЕМ» съеденного, как порция или порция мороженого.
Проще говоря:
Киловатт — мощность. Насколько сильно и быстро прибор включен?
Киловатт-час — работа. Сколько всего энергии он «съел» за время работы?
Пример:
Лампочка мощностью 100 Вт (0.1 кВт) — это её «скорость еды».
Если она будет гореть 10 часов, она «съест» 0.1 кВт * 10 ч = 1 кВтч электроэнергии. Это и есть та самая «порция», за которую мы платим по счётчику!
Коротко:
кВт — это как литры в секунду из крана.
кВтч — это как полное ведро воды, которое получилось.
Александр Лодыгин (1847 – 1923)
ИСКРА ВО МРАКЕ: КАК ЛАМПОЧКА ЗАСВЕТИЛАСЬ
Первые опыты:
Первую в мире электрическую лампочку, похожую на современную, создал русский ученый Александр Лодыгин в 1874 году. Она светилась благодаря раскаленному угольному стержню, помещенному в стеклянную колбу без воздуха.
Чем она отличалась от сегодняшней?
Нить накала: У Лодыгина она была угольной. Позже ее стали делать из тугоплавкого вольфрама, который используется до сих пор, но в гораздо более совершенном виде.
Срок службы: Первые лампочки горели всего несколько десятков часов. Современные светодиодные (LED) лампы могут работать до 50 000 часов!
Эффективность: Старая добрая «лампочка Ильича» (с вольфрамовой нитью) была очень расточительной! 90% энергии она тратила на нагрев, и только 10% — на свет. Современные светодиоды практически не нагреваются и почти всю энергию превращают в свет, экономя электричество.
Лампочка Лодыгина
Глава 2: Сердце города, которое дает тепло
— Как раньше дома отапливали? — начала Даша. — С помощью печки! Закинул дров – вот тебе и плита, чтобы завтрак готовить, вот тебе и батарея.
— Сегодня печки тоже есть. Вот такие, например! — Аким показал на огромные котлы. Ребята приехали на Теплоэлектроцентраль номер 3, или просто ТЭЦ-3. — Именно она дает тепло зимой и теплую воду круглый год половине Барнаула!
Они прошли в котельный цех – сердце ТЭЦ.
— Угольная пыль и горячий воздух буквально вдуваются в топку котла! И начинается процесс горения! — объяснил Аким.
— Это тепло поглощается водой, — продолжила Даша. — Вода испаряется, и образуется очень горячий пар. Его так и называют – перегретый.
— Под огромным давлением пар поступает в турбинный цех, — сказал Аким. — Здесь он вращает лопатки турбины, которая и вырабатывает электрическую энергию!
— Получается, что главная задача ТЭЦ – это создание электричества, а неизрасходованный пар – никому не нужен? — спросил Аким у машиниста паровых турбин Ильи Князева.
— Очень правильное наблюдение! — улыбнулся Илья. — Но слово «неизрасходованный» не совсем верное. Лучше сказать – «отработавший свой основной ресурс». Такой пар уже не может крутить турбину с прежней силой, но он всё еще очень горячий! Что же с ним сделать?
— Просто выпустить в воздух? — предположила Даша.
— Раньше так и делали, но это все равно, что выбросить за окно мешок с углем!
— Расточительно!
— Точно! Но примерно 140 лет назад пар стали использовать для отопления близлежащих к станции домов! А в нашей стране создание таких централизованных систем отопления начали примерно 100 лет назад.
— Удобнее, чем печку топить! — восхитилась Даша.
— Да! И город Барнаул благодаря таким станциям, как наша ТЭЦ-3, уже много десятилетий использует этот умный и экономичный принцип: мы вырабатываем и электроэнергию, и тепло!
КАК УСТРОЕНА СОВРЕМЕННАЯ ТЭЦ: ФАБРИКА ТЕПЛА И СВЕТА
Представьте себе огромный чайник, который работает на угле или газе. Его цель — вскипятить воду и получить пар. Но этот чаник — размером с целый дом! Это и есть ТЭЦ — умная фабрика, которая делает две полезные вещи сразу: электричество и тепло.
1. КОТЕЛ (Где рождается пар)
Сердце ТЭЦ — мощная топка. Здесь сгорает топливо и выделяется огромное количество тепла. Этим теплом нагревают воду в трубах, которые оплетают топку. Вода превращается в раскаленный пар под высоким давлением.
2. ТУРБИНА (Где пар крутит "ветряную мельницу")
Огненный пар с огромной силой устремляется на лопатки турбины — как поток воды крутит колесо водяной мельницы. Турбина раскручивается до бешеной скорости.
3. ГЕНЕРАТОР (Где рождается электричество)
Турбина и генератор сидят на одном валу. Раскрученная турбина заставляет вращаться генератор. Внутри него — гигантские магниты и катушки с проволокой. Благодаря этому вращению и возникает электрический ток, который бежит по проводам в наши дома.
4. "ВТОРАЯ ЖИЗНЬ" ПАРА (Где появляется тепло)
После турбины пар совершает главный трюк! Он уже потратил часть сил, но остался очень горячим. Его отправляют в теплообменник, где он, как добрый великан, отдает свое остаточное тепло обычной воде. Эта нагретая вода и бежит по километрам труб — в батареи и краны наших квартир.
Вот так одно топливо дает нам две силы:
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО (от турбины и генератора) + ТЕПЛО (от "отработанного" пара)
Поэтому ТЭЦ и называется ТЕПЛО-ЭЛЕКТРО-ЦЕНТРАЛЬ — она централизованно дает и то, и другое, экономя ресурсы!
Глава 3: Охранники труда и умные сети
— Энергетика – это множество профессий. А вы чем занимаетесь? — спросил Аким у Натальи Милковой.
— Я —ведущий инженер службы охраны труда, — ответила Наталья.
— Зачем труд охранять? — удивилась Даша.
— Я охраняю не сам труд, а безопасность людей, которые этот труд выполняют, — объяснила Наталья. — Вот есть правила дорожного движения, а есть правила для работы, чтобы не случилось травм, чтобы и инженер, и оператор вернулись домой после смены здоровыми и невредимыми.
Ребята вместе с Натальей перешли в турбинный цех. Их встретил оглушительный, но ровный гул! Посередине огромного зала тянулась длинная-длинная стальная махина — паровая турбина. К ней, как ручейки к большой реке, сходились толстенные трубы, по которым в нее с шипением и свистом устремлялся раскаленный пар. Ребята видели, как сквозь смотровое окошко мелькали с бешеной скоростью лопатки ротора — казалось, внутри крутится гигантская металлическая юла.
— Температура пара 500-600 градусов Цельсия. А его давление — больше 200 атмосфер, — сказала Наталья. — Это как если бы взяли всю раскаленную атмосферу Венеры и заперли в одной трубе!
— Это все равно, что опуститься на дно океана, на глубину больше двух километров, только вместо ледяной воды вас окружает огненный пар! — добавил Аким.
— Ну да. Здесь много всего опасного! — сказала Даша.
— Да! Вот у вас – каски, — Наталья поправила каску на голове Акима. — Каска должна сидеть плотно и должна быть подтянута подбородным ремнем! А еще бывают очки – чтобы защитить глаза. И наушники – это чтобы не испортить слух в цехе, где шумно.
— Я знаю! Это называется «средства индивидуальной защиты»! — вспомнила Даша.
— Совершенно верно! — подтвердила Наталья.
Глава 4: Путь электричества: от станции до розетки
— Сегодня города буквально опутаны электрическими проводами! — сказала Лена. — Но если провод порвется, например, из-за урагана, то город может остаться без света!
— Да! В фильмах такое часто показывают! — добавил Августин.
— И это все неправда, — улыбнулся Аким. — В фильмах такие масштабные отключения света показывают только ради красивой картинки. На самом же деле, чаще всего мы даже не замечаем аварию!
— Как же так? Ведь провода сами себя не заменят! — удивилась Даша.
Чтобы найти ответ, ребята отправились в компанию «Алтайкрайэнерго», которая отвечает за каждую четвертую лампочку в Алтайском крае! Лена и Августин приехали на трансформаторную подстанцию.
— И на ней знак: Молния. «Опасность поражения электрическим током». Это действительно так? — спросила Лена у главного инженера Василия Малявко.
— Эти таблички не для того, чтобы вас напугать! На подстанциях действительно опасно. Здесь очень высокое напряжение! И есть объекты, с которыми даже рядом стоять опасно!
— Почему?
— Представьте себе огромную, невидимую силу — мощный поток энергии, который бежит по этим проводам. Это можно сравнить с потоком воды в гигантском шланге!
— Ого! Если таким ударит, то отлетишь на несколько метров!
— Точно! Вода находится под огромным давлением, а наш организм не приспособлен к такому «напору». Вот то же самое и с электричеством. Удар током может привести к ожогам или вовсе убить!
— Но мы же провода не касаемся!
— Да! Но электрическая дуга может «перепрыгнуть» по воздуху, как молния, и нанести тяжелейшие травмы.
— А птицы сидят на проводах! И ничего! — вспомнил Августин.
— Отличное наблюдение! — улыбнулся Василий. — Дело в том, что ток всегда «ищет» самый короткий и легкий путь к земле. А птица земли не касается. Но, если большая птица, например, аист, широко раскинет крылья и одновременно коснется двух проводов, произойдет короткое замыкание. И для птицы это закончится очень печально.
— Значит, проводов нельзя касаться, нельзя наступать на них. Если видишь провод, даже рядом не подходи! — сделала вывод Лена.
— Совершенно верно!
ПОЧЕМУ ТОК МОЖЕТ "ПРЫГАТЬ" ПО ВОЗДУХУ? ТАЙНА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
Обычно воздух — это изолятор, он не проводит ток, как резиновая перчатка. Но при очень высоком напряжении с ним происходит удивительное превращение!
Как это работает?
"Пробивание" воздуха: Представьте, что напряжение — это огромная "сила напора". Когда оно становится чудовищно большим (как на высоковольтных линиях), эта "сила" вырывает из молекул воздуха их частицы — электроны. Воздух из изолятора превращается в проводящий плазменный канал!
Этот раскаленный ионизированный канал — и есть электрическая дуга. По сути, это мини-молния, которую можно создать в лаборатории. Она светится ослепительно белым или голубым светом и имеет температуру в несколько раз выше, чем на поверхности Солнца — до 20 000 °C!
"Прыжок" тока: По этому плазменному "мосту" электрический ток и может "перепрыгнуть" по воздуху, даже не касаясь провода.
Чем это опасно?
Именно поэтому подходить к оборванным проводам смертельно опасно даже на расстоянии нескольких метров! Дуга может "дотянуться" до человека и нанести страшные ожоги или стать причиной пожара.
Чтобы защититься от удара током, электрики используют специальную одежду и инструменты. Монтер Тимофей Шуткин показал, как с помощью специального устройства — указателя напряжения проверяют, есть ли напряжение на линии.
Матвей аккуратно поднес длинную палку к проводу, не касаясь его. Тут же раздался громкий прерывистый писк, а внутри ручки загорелась яркая красная лампочка.
— Видите? Здесь напряжение! Работать запрещено! — сказал Матвей.— Эта простая, но жизненно важная проверка — первое и главное правило перед началом любых работ.
А еще ребята узнали, что сегодня все опоры занесены в специальную программу. Электрики обследуют их, находят дефекты и сразу заносят данные в мобильное приложение. Компьютер помогает понять, какой ремонт нужен в первую очередь.
«Мозговым центром» всего этого хозяйства является диспетчерская. На огромной схеме — мнемосхеме — видно, как электроэнергия поступает от подстанции к домам.
— Если где-то происходит авария, — объяснил начальник службы Александр Тюгаев, — диспетчер отправляет электричество по другому маршруту.
— Вот и ответ, почему мы – потребители электроэнергии – очень редко замечаем, что произошла авария! — обрадовался Августин.
ЧТО ТАКОЕ ТРАНСФОРМАТОРНАЯ ПОДСТАНЦИЯ, И ЗАЧЕМ ОНА НУЖНА?
Представьте, что электрический ток — это вода в трубах. Напряжение — это сила напора, с которой вода бежит по трубе.
Электричество проходит очень долгий путь от мощной электростанции до вашей розетки. Чтобы оно не «растерялось» по дороге, его отправляют в путь под очень высоким «напором» (высоким напряжением) — в десятки и сотни тысяч вольт! Это как отправить воду по гигантскому пожарному шлангу под огромным давлением.
Но такую мощную силу нельзя просто так завести в дом — она сожжет всю технику! Здесь на помощь и приходит трансформаторная подстанция. Её главная задача — понизить напряжение до безопасного уровня.
Как она работает? Проще простого!
На подстанцию по толстым проводам приходит ток с высоким напряжением (например, 10 000 Вольт).
Внутри стоит трансформатор. Это умное устройство из катушек с проволокой и металлического сердечника. Он работает как силовой редуктор или шестерёнка для тока:
Трансформатор «забирает» ток с высоким напряжением и понижает его.
При этом он увеличивает силу тока, чтобы энергии хватило на много домов сразу.
После трансформатора наружу выходит ток с низким (бытовым) напряжением — те самые знакомые 220 или 380 Вольт, которые безопасны для наших телевизоров, чайников и лампочек.
Что еще есть на подстанции?
Помимо трансформатора, там есть «умные» выключатели (рубильники), которые могут отключить ток в случае аварии, и системы защиты, предотвращающие аварию.
ОПАСНОСТЬ ПОД НОГАМИ: ЧТО ТАКОЕ ШАГОВОЕ НАПРЯЖЕНИЕ?
Как это работает?
Представьте, что оборванный провод под напряжением упал на землю. Ток начинает растекаться во все стороны, как волны от брошенного в лужу камня. Земля проводит ток, и напряжение в точке касания провода самое высокое. Чем дальше от этой точки, тем напряжение меньше.
Шаговое напряжение — это разница в напряжении между двумя точками на земле, которые находятся на расстоянии шага друг от друга (обычно около 0.8 метра). Если человек делает шаг, одна его нога оказывается в зоне с одним напряжением, а другая — в зоне с другим. Электрический ток устремляется по пути наименьшего сопротивления — через тело человека от одной ноги к другой, вызывая смертельный удар.
ЧТО ДЕЛАТЬ, ЕСЛИ ВЫ УВИДЕЛИ ОБОРВАННЫЙ ПРОВОД НА ЗЕМЛЕ?
НЕ ПОДХОДИТЬ БЛИЗКО! Опасная зона может быть в радиусе 8-10 метров от лежащего провода.
НЕ ОТРЫВАТЬ НОГИ ОТ ЗЕМЛИ И НЕ БЕЖАТЬ! Бег создает большое шаговое напряжение.
Немедленно сообщить взрослым и позвонить по номеру 112 или в аварийную службу энергетиков.
Если вам НУЖНО СРОЧНО УЙТИ из опасной зоны, делайте это "гусиным шагом":
- Не отрывайте ступни от земли!
- Пятка одной ноги всегда должна быть прижата к носку другой.
- Передвигайтесь мелкими скользящими шажками, не размыкая ног.
Запомните: от оборванного провода нужно уходить не шагами, а шаркая!
Глава 5: Где учатся повелители электричества?
— А как стать укротителем электрического тока? — спросила Даша.
Ответ на этот вопрос ребята искали в Алтайском государственном колледже. Здесь готовят рабочих и специалистов для энергетики.
Они заглянули в класс, где стоит стенд-имитация однокомнатной квартиры.
— Это у нас разводка по квартире электрических проводов, — объяснил студент Артем Кригер. — Сейчас у нас тренировочное задание, мы соединяем переключатель и ламочку.
— Получается, ты уже можешь не только лампочку, но и проводку поменять? — спросил Августин.
— Да! Могу. А когда закончу обучение, я получу диплом электромонтажника электрических сетей и электрооборудования.
— Вообще, электрик – это самая важная сегодня профессия, — уверенно сказал другой студент, Дмитрий Деев.
— Почему?
— Ну, смотри: начинается, например, строительство дома. Кто первый приходит? Электрик. Без него ни один инструмент не будет работать. На заводе тоже самое: вся работа встанет.
— Ну, да! Без электричества уже невозможно представить нашу жизнь, — согласился Августин.
Мастер производственного обучения Андрей Губанов показал ребятам тренировочный стенд поиска неисправностей. Это была точная копия системы управления настоящим заводским конвейером — с проводами, датчиками, реле и лампочками-индикаторами.
— Тот, кто понимает, как это работает, может на любом заводе или фабрике работать, и будет востребован как специалист, — объяснил мастер. — Представьте: на заводе внезапно остановился конвейер, который собирает машины. Все работы встали. Задача студента — с помощью специальных приборов найти причину поломки. Кто разбирается, как работает такой стенд, без работы точно не останется!
На стенде «умного дома» студент Данил Козлов устроил для ребят настоящую свето-дискотеку! Одни лампочки, подмигивая мягким желтым светом, плавно затухали, будто закат за окном. Другие, холодные белые, резко вспыхивали на полную мощь, имитируя яркое утро. А в углу замигал целый светофор — красный, желтый, зеленый — будто крошечная улица ожила прямо в классе. Вся комната пульсировала в невидимом ритме, то погружаясь в полумрак, то заливаясь ослепительным сиянием, как будто сам дом научился дышать светом.
— Здесь мы учимся создавать различные правила для включения электроприборов, — объяснил Данил. — Например, чтобы в определенное время включалось уличное освещение. Или чтобы ночью начинала работать вентиляция. Такие системы все популярнее сегодня. А мы учимся их создавать и проектировать!
— Электрики — это уже не только те, кто меняет розетки, — подвел итог Аким. — Это специалисты по сложнейшим системам «умных домов», энергосетям, возобновляемой энергетике.
— А электричество сегодня повсюду! — воскликнул Августин. — Это свет дома, заряд телефона. Даже автомобили сегодня все чаще становятся электрическими! Так что, если разбираешься в электричестве, то без работы точно не останешься.
Эпилог: Мир без энергии
В конце своего путешествия ребята решили пофантазировать.
— Что произойдет, если все электрики и энергетики вдруг исчезнут? — спросила Лена.
— Через несколько часов сядут батареи телефонов, пропадет интернет, — начал Аким.
— Светофоры, метро, троллейбусы тут же остановятся! — продолжила Даша.
— И лифты в многоэтажных домах! — добавил Августин.
— Перестанут работать насосы, качающие воду, и краны пересохнут, — сказал Аким.
— В больницах тоже все оборудование выключится, — с грустью заметила Лена.
— Получается, что вся наша цивилизация исчезнет! — сделала вывод Даша.
— Ага! А энергетик – выходит, что это чуть ли не самая важная профессия! — воскликнула Лена.
— Ну, да! — улыбнулся Аким. — Есть над чем подумать!
