У американцев много своих стандартов и подходов к строительству, которые сильно отличаются от европейских. Взять хотя бы консерватизм в частном строительстве домов. Почти все загородное строительство у них каркасное. Даже газобетон не смог прижиться, хотя попытки были.
Сильно отличается их энергетика со своими стандартами напряжения и частоты. Частота напряжения в сетях 60 Гц, а у нас 50 Гц. И стандартов напряжений несколько: 120, 208, 240, 277 и 480 Вольт. В сети 480 В заземляют они не нулевой провод, а фазный. Почему так и есть ли в этом смысл? Предлагаю разобраться.
Вначале разберемся, почему там для электросетей был выбран стандарт 60 Гц? Можно услышать такую информацию:
— Удобство расчёта временных величин. Американцы нашли более простым связывать частоту 60 Гц с минутой (60 секунд), что упростило вычисление временных параметров переменного тока. Это было влияние работ Н.Теслы. Существует мнение, что именно он рекомендовал частоту 60 Гц, поскольку она гармонично вписывалась в привычную систему отсчёта времени.
— Технические преимущества. Использование более высокой частоты даёт возможность применять трансформаторы чуть меньших размеров. Чтобы уменьшить трансформаторы, в самолетах вообще используют 400 Гц.
— Экономические соображения. Принятие частоты 60 Гц могло быть обусловлено стремлением сохранить рынок за американскими производителями электроприборов, не допуская на него европейские электрические устройства.
А что с напряжением? Чем обусловлен выбор в их сетях 120, 208, 240, 277 и 480 Вольт?
Линия от понижающего трансформатора имеет трехпроводную сеть на 120/240 Вольт. Таким образом, в каждый дом американца поступают три провода: один нейтральный и две фазы. Напряжение в 120 Вольт между одной из фаз и нейтральным проводом предназначено для маломощных электрических устройств, в то время как между двумя фазами напряжение составляет 240 Вольт, необходимое для работы более мощной техники: электроплит, кондиционеров, систем отопления и т. п..
Истории электросетей в США начиналась с постоянного тока. Данную технологию внедрял Томас Эдисон. При этом применялись три провода: нулевой, положительный и отрицательный. Напряжение в 100 В им было получено экспериментально. Такое напряжение было оптимальным для работы ламп накаливания, в которых еще применялась угольная нить.
Но напряжение было поднято до 110 В — 10% Эдисон добавил для того, чтобы компенсировать потери в сетях.
В Европе после 1883 года перешли на лампы освещении я с металлической (вместо угольной) нитью накаливания, для которых нужно было напряжение примерно 220 В.
До начала 1960-х годов в Советском Союзе тоже использовался стандарт электричества с напряжением 100–127 Вольт. Однако с ростом числа электроприборов у населения, энергетические сети начали испытывать перегрузки. Решения этой проблемы: либо увеличить сечение проводов, либо повысить уровень напряжения в электрических сетях до 220 Вольт. Выбрали второе, перейдя на европейский стандарт напряжения.
Позже в США поняли, что система переменного тока Никола Тесла удобнее. Ее можно транформировать и передавать с меньшими потерями. Так появились современные системы, в том числе и система с расщеплённой нейтралью. Но стандарт напряжения подняли до 120 В (между нулевым и фазным проводом).
США – не единственная страна с таким стандартом напряжения 120 В в сети.
Но в Соединенных штатах есть и другие стандарты.
208 Вольт
В их системе к потребителю приходят две фазы (из трёх возможных) и нулевой провод. Однако сдвиг между фазами не 180, а 120 градусов. Поэтому напряжение между фазами составляет 208 В (120 х √3 = 207,85 Вольт).
240 Вольт
Более мощные электрические приборы, такие как бытовая техника, обогреватели, бойлеры, сушилки для белья, кондиционеры и зарядные станции для электромобилей, подключаются к двум фазным проводам. При этом у нагрузки та же мощность, но ток уменьшается в два раза. В результате возможно применение проводников с меньшим сечением, чем если бы оборудование было рассчитано на работу от сети с напряжением 120 В.
В США, выдающие 240 В можно часто увидеть трансформаторы на столбах вблизи домов. Ближе трансформатор – меньше потери.
277 и 480 Вольт
Для наиболее мощных потребителей в США использую трехфазное напряжение 480 В. Например для такого оборудования, как зарядные устройства погрузчиков и электромобилей и промышленные станки. Это позволяет использовать провода меньшего сечения, а ток равномерно сбалансирован в каждой фазе.
В такой сети напряжение между фазой и нейтралью составляет 277 В переменного тока (рассчитывается, как 480 В, делённые на корень из 3). Данное напряжение применяется в США для питания крупных систем освещения (в отоплении, вентиляция и кондиционирование воздуха). Применение 277В вместо 120В приводит к снижению токов, потребляемых светильниками, более чем на 50%. Это позволяет использовать провода меньшего сечения, что также снижает их вес и, соответственно, стоимость электрической проводки.
Стандарт напряжения 277 В стал активно внедряться в США с начала 2000-х годов с появлением светодиодного освещения.
Еще в США одна из фаз электрической сети 480 В заземляется, вместо заземления нуля. Это решение направлено на повышение защиты от возгораний и на снижение вероятности самовозгорания изоляции проводов при перегрузках в сети. Смотрим на схему.
Если в их сети 120 В заземлена нейтраль, то в сети 480 В нет нейтрали. А для безопасности при коротком замыкании обязательно нужно заземление. Берут и заземляют одну из фаз. Система называется: Corner Grounded Delta System (заземление одного из углов треугольника).
Одновременно фазный проводник является и защитным. С одной стороны работать такая схема не должна, но работает и повсеместно применяется в США. Но если оборвется какой-то другой фазный проводник, ток пойдет по земле на корпус щитка или прибора. Корпус и соединение с землей — будет греться.
Такая система с заземленным фазным проводником используется в системе ДПР на железной дороге и у нас (напряжение на рельсах).
Какой смысл во всем этом наборе стандартов напряжения? Американцы пытаются экономить. Выше напряжение – тоньше провода, меньше их стоимость. Но с другой стороны это приводит к путанице у простых потребителей. Хотя, простым гражданам там без лицензии нельзя самостоятельно монтировать и ремонтировать проводку. В отличии от нашего самостроя. У нас свободы больше даже в плане строительства домов, чем в США. Там, чтобы оформить разрешение на самостоятельное строительство – нужно потратить годы жизни.
И еще интересный факт про проводку в США.
По нормативам их местного Национального Электрического Кодекса (NEC) стандартная заземляющая жила всегда изготовляется без дополнительной изоляции.
Эта токопроводящая жила называется Protective Earth (PE) или заземляющий проводник. Еще такие кабели не нуждаются в использовании защитной негорючей гофры, так как в их конструкции уже имеется специальная защитная прослойка. Сделана она из картона, пропитанного негорючими веществами.
Такой подход позволяет защитным устройствам срабатывать быстрее в ситуации повреждения фазы или возникновения повреждения кабеля, поскольку защитные автоматы или УЗО реагируют на короткое замыкание между токоведущими проводами с меньшей задержкой, связанной с прогоранием изоляции заземляющего провода.
Это обеспечивает более надежную защиту электрической системы и минимизирует риски, связанные с перегревом или повреждением проводки, что в конечном итоге повышает безопасность использования электрической энергии.
Так же ранее разбирали, почему в контактах в их вилках для электроприборов сделаны отверстия:
Для чего в американских вилках для электрических розеток делают отверстия?