Электрическая канализация

Э. канализация представляет собой ряд приспособлений и сооружений для распределения Э. энергии от данного источника к приемникам, расположенным в разных пунктах данной местности. Главной частью Э. канализации являются провода, по которым передается ток от источника к приемникам. В зависимости от характера передаваемого тока все системы для Э. канализации можно разделить на следующие две крупные категории: I) канализация для сильных токов и II) канализация для слабых токов. К первой категории относятся системы, служащие для передачи тока для таких приемников, как лампы, электродвигатели, электрохимические приемники и т. п., требующие сравнительно большой силы тока порядка амперов, десятков и более амперов; ко второй же категории относятся системы, служащие для передачи токов для телеграфных, телефонных и вообще сигнализационных целей; такого рода токи обыкновенно порядка миллиамперов и даже микроамперов.

Канализация для сильных токов. Системы канализации сильных токов могут быть, в свою очередь, разделены на несколько категорий: 1) системы для постоянного тока, 2) системы для простого переменного тока и 3) системы для многофазных переменных токов. Рассмотрим сначала системы для постоянного тока. Наиболее простой является система, по которой все приемники включены последовательно, как это показано на фиг. 1, где G — генератор (источник тока), а₁, а₂, а₃... — данные приемники.

При таком распределении через все приемники должен проходить ток одной и той же силы, иначе говоря, таким способом можно включить лишь приемники, требующие одинаковой силы тока. Последовательное соединение применяется, главным образом, для дуговых фонарей и иногда для электродвигателей. Ясно, что по мере выключения приемников из цепи напряжение у зажимов генератора должно соответственно меняться; действительно, пусть V — это напряжение, пусть v₁, v₂, v₃... v₇ — напряжения, требуемые у зажимов каждого приемника, и R — сопротивление соединительных проводов между генератором и приемниками. Если I — сила тока, требуемая каждым приемником, то соответствующая энергия, требуемая в каждую единицу времени, для всех приемников будет:

v₁I' + v₂I' + v₃I' +... + v₇I' [Известно, что если у зажимов данного приемника напряжение v, а сила проходящего через него тока i, то энергия, расходуемая в приемнике в единицу времени, будет vi.]. Кроме того, часть энергии будет расходоваться на нагревание в соединительных проводах, и, как известно из физики, по закону Джоуля эта потеря будет пропорциональна сопротивлению проводов и квадрату силы тока, а следовательно, она будет R(I')². Таким образом, энергия, которую должен доставить генератор, будет:

R(I')² + v₁I' + v₂I' +... v₇I'.

Но если напряжение у зажимов генератора — V, а требуемая сила тока — I', то энергия (в секунду), доставляемая генератором, будет VI. Таким образом, мы будем иметь:

VI = RI² + v₁I + v₂I +... v₇ I.

откуда

V = v₁ + v₂ + v₃ +... + v₇ + RI'.

RI' называется падением напряжения по соединительным проводам. Из предыдущего соотношения видно, что, если мы выключим, напр., приемник № 1 и № 2, то напряжение у генератора станет:

V' = v₃ +... + v₇ + RI'

и должно быть меньше, чем V. Сопротивление соединительных проводов должно быть выбрано таким, чтобы эти провода не нагревались чрезмерно при данной силе тока; иначе говоря, сопротивление этих проводов не должно быть больше определенной нормы, но сопротивление провода пропорционально длине и обратно пропорционально поперечному его сечению и выражается следующей формулой:

R = (lρ)/q,

где l — длина провода, q — поперечное сечение, а ρ — сопротивление единицы длины провода сечением, равным единице. Если l выражается в метрах, q — в кв. мм, то ρ будет сопротивлением 1 м проволоки сечением в 1 кв. мм. Для меди ρ = 0,0175. Из предыдущей формулы видно, что чем больше сечение q, тем меньше при данной длине будет сопротивление R, а, следовательно, тем и меньше будет нагревание, а также тем меньше будет и падение напряжения в проводах, ибо, как это мы показали, оно равно RI′.

Описанная система неудобна, во-1-х, в том отношении, что в случае перерыва тока в одном из приемников все остальные также перестают действовать; во-2-х, с увеличением числа приемников необходимо увеличивать напряжение генератора, конструкция же машин постоянного тока для высокого напряжения крайне затруднительна. Вот почему предпочитают другой способ включения приемников, называемый параллельным включением. Все приемники как бы ответвляются от зажимов генератора (фиг. 2.).

Вместо того, чтобы для каждого приемника вести отдельное ответвление, предпочитают с целью экономии в устройстве проводки вести от зажимов генератора два магистральных (главных) провода и между этими последними ответвляют приемники (фиг. 3).

Стрелками показано распределение токов по участкам аа₁, а₁а₂, а₂а₃, а₃а₄, bb₁, b₁ b₂,... b₃ b₄ магистралей, соединенных с приемниками. Так, по участку аа₁ должна идти сумма токов для всех приемников, по участку а₁а₂ сумма токов для всех приемников, кроме первого, и т. д. Точно так же по участку bb₁ возвращается сумма токов для всех приемников, по b₁b₂ — сумма токов для всех, кроме первого, приемников и т. д. При параллельном включении могут включаться приемники, требующие разной силы тока, но работающие при одном и том же напряжении: напр. приемник 1 может быть взят на 5 ампер, приемник 2 — на 10 ампер и т. д., но все должны быть выбраны на одно и то же напряжение, 100 вольт например. Однако чем дальше данный приемник от генератора, тем больше будет падение вольт до него от генератора; следовательно, если между точками а₁b₁ (первого приемника) обеспечено напряжение, наприм., в 100 вольт и если падение вольт от а₁b₁ на а₄b₄, напр., 5 вольт, то у приемника 4 будет напряжение только 100 — 5 = 95 вольт, и если этот приемник должен работать при 100 вольтах, то при 95 вольтах его правильное действие не будет обеспечено. Сделать так, чтобы и у приемника 1 и у приемника 4 было обеспечено одно и то же напряжение — невозможно вследствие падения вольт, вызываемого прохождением тока по участкам а₁а₄ и b₁b₄ магистралей, а потому стараются подбирать магистрали так, чтобы падение вольт между приемником, наиболее близким к генератору, и приемником, наиболее удаленным от этого последнего, было таково, чтобы разность напряжений между названными приемниками не отражалась на правильном их действии; так, если приемниками являются лампочки накаливания, горящие нормально при 100 вольтах, напр., то свет этих лампочек заметно не изменяется, если одна будет работать при напряжении и в 101 вольт, а другая в 99 вольт; отсюда следует, что если у зажимов первого приемника будет 101 вольт, то для приемника 4 можно допустить 99 вольт, а следовательно, по участкам магистралей а₁а₄, b₁b₄ можно допустить падение в 2 вольта (1 вольт по а₁а₄ и 1 вольт по b₁b₄). Другие приемники допускают большее падение, и вообще, чем выше напряжение приемников, тем большее падение можно допустить по магистралям. Нормы допускаемого падения дают обыкновенно в процентах от напряжения приемника; так, для ламп накаливания эта норма будет от 2 до 2,5 %, таким образом, для 100-вольтовых ламп допускаемое падение будет 2 или 2,5 вольта, для ламп на 220 вольт — (220 x 2):100 или (220 x 2,5):100 и т. д.

На такие-то пределы падения вольт и рассчитывается сечение магистральных проводов, но, кроме того, следует всегда проверять, достаточно ли рассчитанное таким образом сечение по отношению к нагреванию, как это мы показали при разборе последовательного соединения.

Из предыдущего следует, что чем выше напряжение у приемников, тем большее можно допустить падение вольт в магистральных проводах, тем, следовательно, тоньше можно брать эти последние (ибо падение вольт при одном и том же токе обратно пропорционально сечению провода). Для экономии в магистральных проводах можно прибегать к так называемому смешанному включению (фиг. 4), которое заключается в том, что приемники по 2 или по 3 и более включаются последовательно, а затем такие группы 1, 2, 3, 4 включаются параллельно; каждую такую группу можно рассматривать как один приемник с напряжением в 2, 3 и т. д. раз большим, чем каждый из приемников; например, если мы взяли 100-вольтовые лампы, то, включая их по 2 последовательно, мы каждую группу 1, 2, 3, 4 (фиг. 4) можем рассматривать как один приемник с напряжением в 200 вольт, а следовательно, в данном случае мы можем допустить между 1 и 4 по магистралям падение вольт не 1, как раньше, а 4 вольта.

Однако здесь придется считаться с тем, что при порче или выключении одного приемника перестают действовать все приемники одной и той же группы; например, если в группе 2 испортилась или выключена одна лампочка, то и другая перестанет гореть. Для избежания этого в случае включения приемников по 2 последовательно проводят еще 3-й провод (средний) и устанавливают 2 генератора, соединенные между собой последовательно (фиг. 5).

При таком способе включения можно выключать любой приемник, и все остальные будут действовать. Так, если выключен приемник 2', то для приемника 2 путь тока не будет прерван, этот ток вернется к отрицательному полюсу генератора G через третий провод (средний); точно так же, если выключен приемник 2, то путь тока через приемник 2' также прерван не будет, этот ток направится ко 2'-му приемнику через третий провод (средний), а затем вернется к отрицательному полюсу 2-го генератора по 2-му крайнему проводу. Если все приемники включены, то по 3-му проводу вовсе не будет тока, этот последний будет циркулировать лишь в тех случаях, когда в одной половине (1, 2, 3...) приемников меньше, чем в другой (1', 2', 3'...). По 3-му проводу пройдет такой же ток, как и по одному из крайних db или cd, лишь в том случае, когда либо все приемники 1, 2, 3..., либо все приемники 1', 2', 3'... будут выключены. Так как на практике этого никогда не бывает, то обыкновенно сечение среднего провода берут в 2 раза меньше, чем крайних. Расчет показывает, что трехпроводная система экономнее по отношению к магистральным проводам, чем двухпроводная, при которой пришлось бы все приемники 1, 2, 3,... и 1', 2', 3'... включить параллельно. Действительно, при трехпроводной системе крайние провода рассчитываются так, как если бы приемники 1, 1', 2, 2'... были включены по 2 последовательно, значит, их сечение будет в 2 раза меньше, чем в случае параллельного включения всех приемников, сечение же третьего провода берется равным половине сечения крайних. Если хотят обойтись одним генератором, то присоединяют батарею аккумуляторов и средний провод присоединяют к средине этой последней (фиг. 6).

Для того, чтобы еще больше сэкономить в магистральных проводах, прибегали раньше к 4- и 5-проводной системам, которые в настоящее время не применяются. На фиг. 7 показана 5-проводная система.

Если помещение, где распределяются приемники, представляет собой кольцеобразное замкнутое пространство, то весьма удобно сделать включение приемников либо петлей, либо кольцом. Первая система показана на фиг. 8.

Тогда наибольшее падение вольт придется считать не до последнего приемника n, а до некоторого промежуточного. На фиг. 9 показано включение кольцом.

Преимущество такой системы заключается, во-1-х, в том, что наибольшее падение вольт будет у некоторого среднего приемника, а во-2-х, и в том, что в случае порчи части магистрали, например ab, приемники k и h все же будут получать ток, подача которого обеспечена с 2-х сторон, в случае же порчи части alc, например, пострадает только приемник h, а приемники k и l будут получать ток — первый с одной, а второй с другой стороны и т. д. Из приведенных выше простых систем включения можно составлять более сложные системы. На фиг. 10 показана сложная комбинация из простых параллельных включений, из фиг. 11 — комбинация кольца с простыми параллельными включениями и т. д.

Если генераторная станция находится в стороне от района, где распределяются приемники, то эти приемники включают по одной из показанных систем, а от генераторной станции подводят так называемые питательные провода, или фидера, причем эти фидера подводят большею частью к нескольким пунктам сети, в которую включены приемники, для того чтобы обеспечить питание с нескольких сторон, как это показано на фиг. 12, причем эти фидера ведут в места наибольших нагрузок, т. е. в те части, где больше приемников.

Сеть проводов, служащая для непосредственного включения приемников, называется распределительной сетью, а совокупность питательных проводов называется питательной сетью. Пункты распределительной сети, к которым подходят питательные провода, называются питательными пунктами. На предыдущей фигуре распределительная сеть показана полными линиями, а питательная — пунктиром. Питательными пунктами являются места аа', bb'. Для простого переменного тока применяются те же системы, что и для постоянного тока, но в тех случаях, когда генераторная (центральная) станция находится очень далеко от распределительной сети, то прибегают к посредству трансформаторов, которые устанавливаются в нескольких пунктах распределительной сети. Ток от генераторной станции при посредстве питательных проводов передают к этим трансформаторам, вторичные обмотки которых являются питательными пунктами распределительной сети. К высокому напряжению в питательной сети прибегают для экономии в питательных проводах. Действительно, если мы передаем энергию W при напряжении V и силы тока I, то W = VI; но если ту же энергию мы будем передавать при напряжении, например, в 10 раз большем, то сила тока потребуется в 10 раз меньшая, ибо тогда W = 10VI', откуда I' = W/10V', тогда как в первом случае I = W/V. Но потеря на нагревание в проводах пропорциональна квадрату силы тока, следовательно, во 2-м случае для того же провода эта потеря будет в 100 раз меньше. Таким образом, если мы потерю на нагревание допустим во 2-м случае (когда напряжение = 10V) такой же, как и в 1-м (когда напряжение = V, то во втором случае мы можем взять сечение провода в 100 раз меньше. На фиг. 13 в пунктах А и В показаны трансформаторы, первичные обмотки а', b' которых соединены с генераторной станцией, а вторичные а ", b" играют роль как бы генераторов (источников) для распределительной сети.

Распределительную сеть можно устроить высокого напряжения, тогда приемники, каждый или группами, включаются в эту сеть через трансформаторы, питательные же пункты соединяются непосредственно с генераторной станцией. В случае применения многофазных переменных токов включение приемников производится несколько иначе, чем при простом переменном токе. На практике из многофазных систем наиболее распространенной является система трехфазных токов, которую мы и опишем. В системах трехфазного тока генераторы и трансформаторы имеют три группы обмоток, развивающих электродвижущие силы, разнящиеся по фазе на 1/3 периода, но имеющие одинаковые наибольшие значения. Так, если группа обмоток № 1 развивает переменную Э.-движущую силу, наибольшее значение которой Е, то и группы № 2 и № 3 развивают электродвижущие силы, наибольшие значения которых будут тоже Е; но если в данный момент наибольшее значение Э.-движущей силы в обмотках группы № 1 равно Е, то в обмотках группы № 2 Э.-движущая сила будет иметь такое же значение только через промежуток времени, равный трети полного периода изменения, а в обмотках группы № 3 — только 2/3 периода спустя. Полным периодом изменения данной переменной величины называют время, по истечении которого данная величина приобретает то же значение и начинает изменяться так же, как и раньше. Например, если данная Э.-движущая сила в данный момент была равна нулю, затем стала возрастать, потом убывать, далее, сделавшись опять равной нулю, переменила направление, стала снова возрастать, затем убывать и опять сделалась равной нулю, после чего стала опять изменяться, как и раньше, то время, которое прошло от первого, указанного выше момента, когда Э.-движущая сила была равна нулю и начинала возрастать, до того момента, когда Э.-движущая сила снова сделалась равной нулю и стала возрастать в том же направлении, называется полным периодом изменения Э.-движущей силы. Это, следовательно, есть то время, через которое повторяются все изменения в одном и том же порядке. Обмотки, развивающие подобные электродвижущие силы, разнящиеся по фазе на 1/3 периода, соединяются либо звездой, либо треугольником; к зажимам этих обмоток подводятся магистральные провода, между которыми и включаются приемники, как это показано на фиг. 14, 15, 16, причем на фиг. 16 к центру звезды генератора подведен четвертый провод N и приемники включены между этими последними и тремя крайними проводами а, в, с.

Канализация для слабых токов. В этого рода канализациях большей частью каждый приемник имеет отдельную цепь, подобно тому, как это представлено на фиг. 1. Часто даже для каждого приемника имеется отдельный источник тока. Например, телефонные аппараты каждого абонента включаются в отдельные цепи и имеют отдельные батареи; впрочем, в настоящее время во многих больших городах устраивают для телефонных аппаратов одну общую батарею, устанавливаемую на центральной станции, но тем не менее для каждого аппарата имеется отдельная линия; следовательно, будет столько линий, сколько телефонных абонентов. Иногда в одну и ту же линию включают два и самое большое — три аппарата; то же можно сказать и относительно телеграфных и других сигнализационных аппаратов, которые, впрочем, иногда включаются по нескольку в одну и ту же линию, но большею частью последовательно. Одним из характерных отличий линий слабого тока — это то, что для возврата тока можно пользоваться землею; таким образом, линия может быть из одного провода; в этом отношении эти линии весьма сходны с линиями электрических трамваев (см. Электрические железные дороги), с той только разницею, что в этих последних возвратом тока служат рельсы, а не земля, хотя и эта последняя принимает некоторое участие в проводке тока (ползучие токи). Для линий сильного тока избегают пользоваться землею для возврата тока ввиду того, что сильный ток, производя электролиз в почве и ответвляясь через соседние металлические предметы, как водопроводные и газопроводные трубы, может произвести нежелательные повреждения этих последних; действие же слабого тока настолько незначительно, что возврат его через землю не может служить причиной предыдущей порчи.

Сооружения для электрической канализации. Провода для передачи тока от генераторной (центральной станции) и от питательных пунктов к пунктам, где распределяются приемники, прокладываются либо над землей, на особых опорных приспособлениях (столбы, стойки, кронштейны), либо в земле, а в случае надобности — и под водой. В первом случае канализация называется воздушной, причем провода прокладываются голыми и в местах укрепления их к опорным приспособлениям изолируются через посредство фарфоровых или стеклянных изоляторов, укрепляемых на железных крюках и штырях. На фиг. 17 показана часть столба с изоляторами на крюках, ввинченных в столб, и на штырях, укрепленных на траверсе из углового железа.

Во втором случае, т. е. когда провода прокладывают в земле, канализация называется подземной. Существует несколько способов прокладки проводов для подземной канализации. 1) Провода в виде бронированных кабелей (см. Кабели) укладываются непосредственно в земле, с каковой целью вырывают канаву глубиной до 70 см.; дно этой канавы посыпают слоем песка, на который кладут кабели, затем снова посыпают песком, прикрывают кирпичами (для защиты кабелей от механических повреждений) и, засыпав канаву, утрамбовывают ее и замащивают в том случае, когда кабели прокладываются под мостовой, или накладывают тротуарные плиты, если кабели идут под тротуаром. На фиг. 18 показано поперечное сечение канавы с 4-мя уложенными на ее дне кабелями.

В местах, где ответвляются один и более кабелей от главной линии, устанавливают особые чугунные коробки или муфты, внутри которых производится приращивание кабелей, ответвляющихся от главной линии. На фиг. 19 показана такая коробка в открытом виде (эта коробка закрывается герметически и часто заливается парафином или смолой для предохранения сращиваемых мест от влаги и действия почвы).

2) Кабели без брони, а лишь снабженные свинцовой оболочкой, укладываются по несколько штук в одном общем желобе из бетона, обожженной глины или в чугунных или железных желобах. На фиг. 20 показан желоб из обожженной глины с пустотелыми стенками, крышка желоба приподнята.

3) Каждый кабель прокладывают в особом желобе; это дает возможность, не разрывая мостовой, протягивать в устроенной уже канализации новые кабели или, вытянув старые, неисправные, заменять их новыми. С этой целью через каждые 100—150 метров вдоль канализации устраивают особые колодцы, которые соединяются желобами; между этими колодцами и производят протягивание кабелей. На фиг. 21 показан ряд желобов из керамиковых четырехугольных труб, уложенных наподобие кирпичной кладки и окруженных слоем бетона для большей крепости; под литерой А показан поперечный разрез, а под лит. В — вид продольной стороны, обнаженной от бетона канализации.

На фиг. 22 изображен разрез колодца, причем видно, как входят в этот колодец желоба.

Колодец прикрывается чугунной крышкой, стенки же его делаются из бетона или кирпича. Для соединения воздушной линии с подземной кабели подземной линии выводят наружу к месту, где начинается воздушная линия, причем на столбе или стойке, от которых отходят воздушные провода, укрепляют особый ящик, внутри которого расположен ряд зажимов, изолированных друг от друга; к этим зажимам с одной стороны подходят жилы кабеля, который вводится в ящик при посредстве особой муфты, а с другой стороны изолированные провода, идущие от проводов воздушной линии и заканчивающиеся на изоляторах стойки или столба. Эти изолированные проводники припаиваются к воздушным проводам одним концом, а другим вводятся через фарфоровые воронки внутрь ящика, где присоединяются к упомянутым выше зажимам; до присоединения к этим последним каждый из изолированных проводников снабжается легкоплавким предохранителем и громоотводом. Таким образом, кабельные провода соединяются с воздушными через посредство зажимов кабельного ящика, далее через предохранители, громоотводы и изолированные провода, выходящие из ящика и припаянные к воздушным проводам у места закрепления этих последних на изоляторах. При устройстве подводных канализаций применяют бронированные кабели, которые прокладывают по дну данного водного перехода, причем часто эти кабели защищают еще специальными сочлененными между собой муфтами. Внутри помещений применяют, почти исключительно, изолированные провода, которые прокладывают по стенам на фарфоровых роликах. При проходе сквозь стены провода пропускают сквозь фарфоровые трубки или втулки, причем для большего обеспечения от порчи изоляции части проводов, проходящие сквозь трубки, снабжаются каучуковыми или резиновыми трубками. Иногда провода внутри помещений прокладывают под штукатуркой, но в таких случаях эти провода протягиваются в специальных трубках, которые и заделываются в штукатурке. Наиболее распространенными для этой цели являются трубки Бергмана, изготовляемые из особого состава papier maché и снабженные тонкой медной оболочкой. Провода протягиваются в трубках после того, как эти последние уже заделаны в штукатурку; для облегчения протяжки в нескольких местах данного помещения устанавливаются особые коробки, к которым подходят трубки: провода протягивают в трубках между двумя смежными коробками. Эти последние играют ту же роль, как и колодцы в подземных канализациях, где кабели протягиваются в специальных желобах, как это было описано выше.

Литература. Herzog und Feldmann, "Die Berechnung elektriseher Leitungsnetzen", тоже "Handbuch für elektrische Beleuchtung"; Neureiter, "Die Verteilung der elektrischen Energie"; Gallusser und Haussmann, "Theorie und Berechnung elektrischer Leitungen"; Hochenegg, "Anordnung und Bemessang elektriseher Leitungen"; Baur, "Das elektrische Kabel"; Lazare Weiller, "Lignes et transmissions électriques"; Boussac, "Construction des lignes électriques aériennes"; Stuart Russel, "Electric light cables"; Белин, "Основы устройства воздушных телеграфных и телефонных линий"; Константинов, "Провода электричества, их прокладка, ремонт и измерения"; Ивановский, "Практические приемы расчета сечений проводов для электрических установок".

П. Войнаровский.