Поколение ПРОФИ: как Лена, Даша, Августин и Аким укрощали электрический ток

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 ею 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 (кВт-ч.) – 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 кВт-ч. электроэнергии. Это и есть та самая «порция», за которую мы платим по счётчику!

Коротко:
кВт – это как литры в секунду из крана.
кВт-ч. – 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 чайник 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 ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛЬ – 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 телефону 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 лампочку.

– 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 то же 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 светодискотеку! 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, это чуть ли не самая важная профессия! – воскликнула Лена.

– Ну, да! – улыбнулся Аким. – Есть над чем подумать!