У американцев имеется множество своих стандартов и методов в строительстве, которые существенно отличаются от европейских. Например, можно отметить их консерватизм в индивидуальном строительстве жилья. Практически все загородные дома у них строятся по каркасной технологии. Даже газобетон не смог найти широкого применения, несмотря на предпринятые попытки.
Их энергетическая система также заметно отличается, имея свои уникальные стандарты напряжения и частоты. Частота в электросетях составляет 60 Гц, в то время как у нас — 50 Гц. К тому же, существует несколько стандартов напряжения: 120, 208, 240, 277 и 480 Вольт. В сети с напряжением 480 В заземляют не нулевой провод, а фазный. Почему так устроено и имеет ли это смысл? Давайте разберемся.
Сначала выясним, почему в их электросетях был выбран стандарт 60 Гц? Можно услышать следующие объяснения:
— Удобство вычислений временных величин. Американцы нашли более простым связывать частоту 60 Гц с минутой (60 секунд), что упростило расчет временных параметров переменного тока. Это было следствием работ Н. Теслы. Существует мнение, что именно он предложил частоту 60 Гц, так как она гармонично вписывалась в привычную систему измерения времени.
— Технические преимущества. Использование более высокой частоты позволяет применять трансформаторы меньших размеров. Для уменьшения размеров трансформаторов в авиации вообще используют 400 Гц.
— Экономические факторы. Принятие частоты 60 Гц могло быть связано с желанием сохранить рынок для американских производителей электроприборов и не допустить на него европейские устройства.
А что с напряжением? По каким причинам в их сетях выбраны 120, 208, 240, 277 и 480 Вольт?
Линия от понижающего трансформатора представляет собой трехпроводную сеть на 120/240 Вольт. Таким образом, в каждый дом американца поступают три провода: один нейтральный и два фазных. Напряжение в 120 Вольт между одной из фаз и нейтралью предназначено для маломощных электрических устройств, в то время как напряжение между двумя фазами составляет 240 Вольт, что необходимо для работы более мощного оборудования: электроплит, кондиционеров, систем отопления и т. д.
История электросетей в США начиналась с постоянного тока. Эту технологию внедрял Томас Эдисон. При этом использовались три провода: нулевой, положительный и отрицательный. Напряжение в 100 В было получено экспериментально. Оно оказалось оптимальным для работы ламп накаливания, где применялась угольная нить.
Но напряжение было повышено до 110 В — Эдисон добавил 10% для компенсации потерь в сетях.
В Европе после 1883 года перешли на лампы освещения 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 увеличением 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 осознали, что система переменного тока, разработанная Никола Тесла, более удобна. Ее можно трансформировать и передавать с меньшими потерями. Так появились современные системы, включая систему с расщепленной нейтралью. Однако стандарт напряжения был увеличен 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 трех возможных) и нулевой провод. Однако сдвиг между фазами составляет не 180, а 120 градусов. Поэтому напряжение между фазами равно 208 В (120 х √3 = 207,85 Вольт).
240 Вольт
Для более мощных электрических устройств, таких как бытовая техника, обогреватели, бойлеры, сушилки для белья, кондиционеры и зарядные станции для электромобилей, подключаются две фазные линии. При этом мощность нагрузки остается прежней, но ток уменьшается в два раза. Это позволяет использовать проводники с меньшим сечением, чем если бы оборудование работало от сети с напряжением 120 В.
В США, где выдают 240 В, часто можно увидеть трансформаторы на столбах рядом с домами. Чем ближе трансформатор — тем меньше потери.
277 и 480 Вольт
Для самых мощных потребителей в США используется трехфазное напряжение 480 В. Например, для оборудования, такого как зарядные устройства для погрузчиков и электромобилей, а также промышленные станки. Это позволяет использовать провода меньшего сечения, а ток равномерно распределен по каждой фазе.
В такой сети напряжение между фазой и нейтралью составляет 277 В переменного тока (рассчитывается как 480 В, деленные на корень из 3). Это напряжение применяется в США для питания крупных систем освещения (в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). Использование 277 В вместо 120 В приводит к значительному снижению токов, потребляемых светильниками, более чем на 50%. Это позволяет использовать проводники меньшего сечения, что также уменьшает их вес и, следовательно, стоимость электрической проводки.
Стандарт напряжения 277 В активно внедряется в США с начала 2000-х годов с появлением светодиодного освещения.
Кроме того, в США одна из фаз электрической сети с напряжением 480 В заземляется вместо нулевого провода. Это решение направлено на улучшение защиты от возгораний и снижение вероятности самовозгорания изоляции проводов при перегрузках в сети. Давайте рассмотрим схему.
Если в их сети с напряжением 120 В заземлена нейтраль, то в сети с 480 В нейтрали нет. Для обеспечения безопасности при коротком замыкании необходимо заземление. Поэтому заземляется одна из фаз. Эта система называется Corner Grounded Delta System (заземление одного из углов треугольника).
В то же время фазный проводник выполняет функцию защитного. С одной стороны, такая система не должна работать, но на практике она функционирует и широко применяется в США. Однако если оборвется какой-то другой фазный проводник, ток может пойти по земле на корпус щитка или прибора. Корпус и соединение с землей будут нагреваться.
Данная система с заземленным фазным проводником используется в системе ДПР на железной дороге и у нас (напряжение на рельсах).
Какова же суть этого набора стандартов напряжения? Американцы стремятся к экономии. Более высокое напряжение — меньший диаметр проводов и их более низкая стоимость. Однако с другой стороны это создает путаницу для обычных потребителей. Хотя простым гражданам в США запрещено самостоятельно монтировать и ремонтировать проводку без лицензии. В отличие от нашего самостроя, у нас больше свободы даже в вопросах строительства домов, чем в США. Там для оформления разрешения на самостоятельное строительство может потребоваться много лет.
И еще один интересный факт о проводке в США.
По нормативам их местного Национального Электрического Кодекса (NEC) стандартная заземляющая жила всегда изготавливается без дополнительной изоляции.
Эта токопроводящая жила называется Protective Earth (PE) или заземляющий проводник. Такие кабели также не нуждаются в использовании защитной негорючей гофры, поскольку в их конструкции уже имеется специальная защитная прослойка, сделанная из картона, пропитанного негорючими веществами.
Такой подход позволяет защитным устройствам срабатывать быстрее в случае повреждения фазы или возникновения повреждения кабеля, поскольку защитные автоматы или УЗО реагируют на короткое замыкание между токоведущими проводами с меньшей задержкой, связанной с прогаром изоляции заземляющего провода.
Эта система обеспечивает более надежную защиту электрической системы и минимизирует риски, связанные с перегревом или повреждением проводки, что в конечном итоге повышает безопасность использования электрической энергии.
Также мы ранее обсуждали, зачем в контактах их вилок для электрических приборов делают отверстия:
Для чего в американских вилках для электрических розеток делают отверстия?