Стандарти напруги та частот у різних країнах світу

У світі найбільш поширені два основні стандарти напруги та частоти. Це американський стандарт 100-127 вольт 60 герц та європейський стандарт 220-240 вольт 50 герц.

Більшість країн світу прийняли один із цих двох стандартів, хоча зустрічаються також перехідні та унікальні стандарти.

Американський стандарт

Американський стандарт пов’язаний з ім’ям винахідника та підприємця Томаса Едісона.

Саме йому перші електричні мережі США зобов’язані своєю напругою у 110 вольт. У 1880 році Едісон запропонував та запатентував трипровідну електричну мережу постійного струму, у якій було два дроти +110 і -110 В, а також заземлений нейтральний провід. Така мережа вільно живила лампу розжарювання з вугільною ниткою, для роботи якої потрібно було 100 В, а 10% Едісон заклав, враховуючи втрати при русі струму у дроті. Саме тому робоча напруга першої електростанції Едісона була 110 вольт.

У січні 1882 року Едісон запускає першу електростанцію в Лондоні, а кількома місяцями пізніше – на Мангеттені. До 1887 року у США існувало більше сотні електростанцій постійного струму, які працювали на трипровідній системі Едісона.

З того часу і почав працювати стандарт мереж 100-127 В, а у США закріпилася трипровідна мережа.

Система Едісона передбачала живлення від однієї теплової електростанції з генератором постійного струму та супроводжувалася великою втратою потужності у проводах. Так, 10 з 110 вольт просто зникали у процесі передачі, розсіюючись у проводах у формі тепла за законом Джоуля-Ленца. Виявивши це, компанія іншого американського вченого-інженера та успішного підприємця Джорджа Вестінгауза у 1886 році розробила альтернативну систему передачі електроенергії – систему змінного струму. Ця система передбачала використання високої напруги у системах змінного струму, застосовуючи для зниження напруги трансформатори і дозволила застосовувати змінний струм для побутових споживачів. З того моменту розпочалась низка подій, що увійшла в історію як «війна струмів», з якої, в результаті, переможцем вийшов змінний струм, а постійний струм Едісона програв.

Застосування високої напруги у системах змінного струму дозволило передавати енергію на сотні кілометрів високовольтними магістральними лініями від великих електростанцій і забезпечити електропостачання цілих міст та віддалених районів країни.

На сьогоднішній день у Північній Америці типовою системою живлення електроустановок будівель є трифазна система електропостачання, що працює від змінного струму із заземленням, яка, по суті, є еквівалентом оригінальної трипровідної системи постійного струму Едісона. Вона поширена для живлення житлових та невеликих комерційних приміщень.

У приміщення подаються дві лінії змінного струму 120 В, які не збігаються по фазі на 180 градусів одна з одною і нейтральний провід, що підключається до заземлення на центральному відводі понижуючого трансформатора. Таким чином до американських будинків підводяться три дроти – дві фази та нуль. Два дроти від різних «плечей» низьковольтної обмотки трансформатора, і один – від «заземленого» середнього відведення низьковольтної обмотки трансформатора. В результаті маємо два ланцюги, що працюють у протифазі, та дозволяють отримати 240 В і підключати прилади, розраховані як на 100-127, так і на 200-240 В.

У ланцюгах освітлення, для розеток невеликих електроприладів та інших малопотужних споживачів використовуються ланцюги 120 В – вони підключаються між однією з ліній та нейтраллю за допомогою однополюсного автоматичного вимикача. А для живлення кондиціонерів, варильних панелей, пральних машин, обігрівачів, бойлерів та інших потужних споживачів використовується живлення від ланцюгів 240 В змінного струму, що підключаються між двома лініями змінного струму на 120 В.

Слід зазначити, що при тій же споживаній потужності використання нижчої напруги призводить до споживання приладом більшого струму і збільшення втрат при передачі енергії. Саме тому в країнах, де номінальна напруга становить 100-127 В часто відмовляються від розподільних мереж низької напруги, а середня напруга (5-15 кВ) перетворюється на низьку максимально близько до споживача. З цієї причини в США для кожного будинку (висотного або приватного) встановлюється окрема компактна електрична підстанція (англ. pole pig), що складається з розподільних трансформаторів, які забезпечують остаточне перетворення напруги в розподільній електричній системі до рівня, що використовується споживачами.

На сьогоднішній день основна напруга мережі у Сполучених Штатах становить 120 В (від 114 до 126 В), а загальноприйнята частота змінного струму – 60 Гц.

Європейський стандарт

У Європі, на відміну від США, стандарт 220 вольт виник відразу, що було пов’язано з широким використанням мереж змінного струму.

Масова електрифікація Європейського континенту розпочалася з винаходом Нікола Тесла у 1883 році асинхронного двигуна змінного струму та появою ламп розжарювання з металевою ниткою. Використання ламп з металевою ниткою замість вугільної вимагало подвоїти напругу. Спочатку 220 вольт отримували шляхом паралельного з’єднання двох ліній по 110 вольт. Однак це було нетехнологічно і економічно невигідно. Тож згодом почали використовувати тільки один кабель або дріт, який одразу підводив до споживачів необхідні 220 В.

Першим містом електрифікованим за «новою» схемою став Берлін. В результаті застосування стандарту 220 В втрати у потужності при передачі електроенергії скоротилися аж на 75%! Так і почали з’являтися мережі з напругою 220 вольт. Слід зазначити, що існувала думка спробувати ще більший вольтаж, проте від неї все ж відмовилися, оскільки загроза для людського життя зростала пропорційно напрузі.

У Радянському Союзі, як і в США, тривалий час застосовувалося напруга 100-127 В. Однак у середині 60-х років зі збільшенням кількості споживачів мережа почала не справлятися. Необхідно було або збільшувати переріз дротів, або підвищувати напругу в мережі до 220 В. Економічно вигіднішим було використання більш високої напруги. Це дозволило знизити витрати на матеріали дротів, оскільки сила струму при збільшенні напруги та збереженні тієї ж потужності зменшується, тож відповідно, площу перерізу дроту теж можна зменшити.

Перехід на 220 вольт у Радянському Союзі відбувався безсистемно. Трансформатори, що відслужили свій термін, на підстанціях замінювали на нові і відразу встановлювали з вихідною напругою 220 вольт замість 110-127 вольт.

Наступна глобальна електрифікація країни призвела до того, що стандарт 220 50 Гц став поширений у всіх країнах пострадянського простору.

На сьогоднішній день напруга в електричній мережі в Європі варіюється від 220 до 240 В. А у більшості країн Європи напруга мережі становить 230 В частотою 50 Гц.

В Україні, Росії, Латвії, Литві та Естонії стандартною напругою в мережі також є напруга 230 В. Зміна стандартної напруги 220 на 230 В була проведена з метою повної відповідності європейським стандартам якості електроенергії. При цьому електричне обладнання, що випускається у зазначених країнах, має нормально працювати при напрузі і 220, і 230 В.

Аналізуючи вищевикладене, може виникнути доцільне питання: якщо більш висока напруга в мережі знижує втрати при передачі електроенергії, дозволяє зменшити витрати на матеріали проводів, використовувати електроприлади з більшою потужністю і в цілому є економічно вигіднішою чому ж тоді США та інші країни не перейшли на «європейський стандарт»? Відповідь проста – перехід на іншу напругу в масштабах країни вимагає величезних фінансових витрат на переобладнання і переоснащення трансформаторних підстанцій та інших електроустановок, а також заміну розеток та вилок. При тому, що дорожнеча заходу є основною причиною відсутності єдиного стандарту напруги мережі у світі, потрібно також відзначити й інші фактори. Зокрема, мережа 110-127 В дозволяє обмежувати імпорт техніки і стимулювати використання пристроїв вітчизняного виробництва, а також є більш безпечною для людини адже ураження електричним струмом при 110 В набагато слабше, ніж при 220 В.

Інші стандарти

На сьогодні більшість країн світу прийняли європейський стандарт напруги в мережі. Американський стандарт закріпився в США, Канаді, Американському Самоа, Мексиці, на островах Мікронезії, у більшості країн Центральної Америки: Гватемалі, Гондурасі, Коста-Ріці, Нікарагуа, Панамі та Сальвадорі, островах Карибського моря та прилеглих островах: Арубі, Гаїті та Домініканській республіці, Кайманових островах, Кубі, Пуерто-Ріко, Тринідад і Тобаго, Ангільї, Бермудських, Віргінських та Багамських островах. А також у низці країн Південної Америки – Венесуелі, Колумбії, Суринам, Еквадорі.

При цьому у світі залишається чимало місць з різними варіаціями напруги та частоти, які не вкладаються у жодні рамки. Приміром, у Бразилії та Бейлізі просто немає єдиного стандарту і в різних регіонах країн напруга в мережі може бути 115, 127 або 220 В частотою 60 Гц. І навіть один і той самий населений пункт може бути підживлений відразу від декількох різних підстанцій, в результаті навіть у сусідніх будинках характеристики струму можуть цілком відрізнятися.

Карибський острів Бонайре та африканська Лівія використовують напругу мережі 127 В при частоті 50 Гц. Острів Барбадос – 115 В частотою 50 Гц, а острови Сент-Кітс та Невіс – 110 та 230 В частотою 60 Гц.

В африканській Ліберії одночасно використовується 120 і 240 В при частоті 50 Гц.

Поряд із напругою мережі 220 В використовують також напругу 127 В частотою 50 Гц у Марокко, Монако, на Мадагаскарі та Нідерландських Антильських островах, а з частотою 60 Гц – у Саудівській Аравії.

На островах Ямайці і Таїті параметри струму у побутових мережах можуть бути і 110, і 220 В при цьому частота на Ямайці – 50 Гц, а на Таїті зустрічається як 50, так і 60 Гц.

У Японії прийнято єдину напругу мережі 100 В при цьому у східних областях переважає частота 50 Гц, а у західних – 60 Гц. Крім того, у деяких регіонах, де мережі мають частоту 60 Гц, є великі міські райони з живленням 220 В, хоча загалом правила облаштування електроустановок близькі до північноамериканських.

У Південній Кореї, Перу та Філіппінах використовується напруга 220 В з частотою 60 Гц, на карибських островах Антигуа та Барбуда – 230 В 60 Гц, а в Гайані – 240 В 60 Гц.

Також сьогодні у багатьох країнах світу характеристики струму відрізняються для місцевих жителів та гостей. Готелі навмисне обладнують своїми окремими підстанціями з трансформаторами та розетками різних конфігурацій. Здебільшого системи адаптують під 220 В та розетки, які найчастіше експлуатуються у країнах з такою напругою.