Faza i N’ka – czy do tanga trzeba dwojga?

Witam ponownie w trzecim z kolei artykule z serii Sieć Jednofazowa. Dziś czeka nas temat niezwykle wielkiej wagi: czy obwód jednofazowy musi być zamknięty? Czy aby płynął prąd przemienny potrzebujemy aż dwóch przewodów? Klasycznie polecam sięgnąć do dwóch poprzednich artykułów, gdyż dziś będziemy kontynuować rozpoczęty tam wątek:

1# Jak prąd dociera do gniazdka? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

2# Jak działa sieć jednofazowa? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Zaczynamy!

Dzisiejszy artykuł powstał dzięki wsparciu Patronów na Patronite.

Dziękuję za Wasz wkład!

Obwód to rzecz święta

Aby płynął prąd, obwód musi być zamknięty – te słowa powtarzam jak mantrę w wielu moich artykułach. Robię to, bo brzmi to logicznie, szczególnie jeśli mówimy o prądzie stałym. Wyobraźmy sobie na chwilę, że w naszym domu jest żarówka, którą zasilamy nie z pobliskiego transformatora, a z jakiejś baterii.

W przypadku prądu stałego elektrony płyną w jednym kierunku. Najpierw opuszczają ujemny biegun baterii, następnie przepływają przez żarówkę, a po skończonej pracy (czyli rozgrzaniu żarnika) muszą zostać gdzieś zutylizowane. Rolę takiej przechowalni pełni dodatni biegun baterii. Gdyby nie odbierał on elektronów na bieżąco, wówczas obwód bardzo szybko by się zakorkował, a elektrony przestałyby płynąć.

A teraz wracamy do sytuacji rzeczywistej, czyli zasilania naszej żarówki ze źródła prądu przemiennego. Jak wiadomo sytuacja ta wygląda o tyle inaczej, że… elektrony tak naprawdę nigdzie nie płyną.

Skoro elektrony tylko bujają się raz w jedną, raz w drugą stronę, to po co nam właściwie zamknięty obwód? Czy elektrony nie mogłyby tego robić w jednym przewodzie? O tak:

Odpowiedź może Cię zaskoczyć, bo brzmi ona: owszem, mogłyby, ale to nie takie proste. Aby w pełni zrozumieć o co tutaj chodzi, musimy rozpracować kilka zagadnień. Zacznijmy od podstawowego problemu: widoczny powyżej obwód jest obwodem otwartym, a normalna sieć jednofazowa (taka, która zasila nasze domy) nie może działać w otwartym obwodzie. Dlaczego? Są dwie odpowiedzi: krótka i długa. Krótka jest taka, że elektrony są trochę jak ogniwa łańcucha rowerowego. Jedno poruszone ogniwo ciągnie kolejne i tak dalej. Nie muszę chyba mówić co by się stało, gdybyś miał w rowerze tylko pół łańcucha?

Jeśli interesuje Cię dłuższe wyjaśnienie to zapraszam do kolejnego akapitu. Jeśli nie, widzimy się po drugiej stronie.

Dlaczego obwód jednofazowy musi być zamknięty?

Wszystko rozbija się, jak to zwykle bywa, o podstawowe prawa fizyki. Weźmy na przykład taką żarówkę. W jaki sposób ona świeci? A no w taki, że przez jej żarnik płynie prąd elektryczny. Mówiąc dokładniej: tryliony elektronów w każdej sekundzie zderzają się z atomami żarnika i rozpalają je do białości. Kluczem jest zatem ruch elektronów – dopóki płyną one przez żarnik, dopóty żarówka świeci.

Jest tylko jeden problem. Elektrony to nie jakieś tam plastikowe kulki, które, aby się toczyć, muszą pokonać siłę tarcia i czasami siłę grawitacji (jeśli powierzchnia jest krzywa). W przypadku prądu elektrycznego dochodzi jeszcze jedna, niezwykle potężna siła, którą nazywamy Siłą Coulomba.

Siła Coulomba jest bardzo prosta w założeniach. Pojawia się ona zawsze tam, gdzie spotykają się naładowane cząstki. Jeśli cząstki są takie same (np. dwa elektrony lub dwa protony) to będą się zawsze odpychać. Więcej informacji nam nie trzeba, ale jeśli chcesz poznać ten temat dokładniej, to zapraszam do artykułu Pole Elektryczne i Prawo Coulomba.

Czy wiesz że…

Francuski inżynier Charles Coulomb niezwykle inteligentnym człowiekiem był. Nie więc dziwnego, że postanowił wziąć udział w prestiżowym konkursie zorganizowanym w 1777 roku przez Francuską Akademię Nauk. Zadaniem było stworzenie super dokładnego kompasu. Zwycięskie urządzenie Coulomba okazało się tak czułe, że jego działanie zaburzały wozy przejeżdżające za oknem, kichnięcie obserwatora stojącego w drugim końcu pokoju, a nawet samo zbliżenie się do urządzenia. Francuz zorientował się, że grawitacja nie może być aż tak podatna na zaburzenia i jego urządzenie musi wykrywać coś jeszcze – coś znacznie delikatniejszego. Tym czymś okazała się tajemnicza siła elektrostatyczna, którą tylko jego urządzenie potrafiło w tamtym czasie zmierzyć. Do dziś, na cześć niezwykłego, francuskiego inżyniera, siłę tę nazywa się Siłą Coulomba.

tę i wiele innych elektrycznych historii, znajdziesz w moim ebooku: Krótka Historia Elektryczności

Skoro Siła Coulomba sprawia, że dwa elektrony będą zawsze od siebie uciekać, to co stanie się, kiedy umieścimy dwie takie cząstki w zamkniętej przestrzeni? Zasadniczo to samo – elektrony oddalą się tak bardzo, jak tylko będą mogły.

Siłę odpychania reprezentuje widoczna między elektronami strzałka. Wyposażyłem ją w dwa groty, by jasno zaznaczyć, że obie cząstki odpychają się nawzajem. A co jeśli elektronów będzie więcej? Wówczas również będą starały się odsunąć od siebie jak najdalej i układ będzie wyglądał mniej więcej tak.

Strzałki, jak widać, są teraz znacznie grubsze. Wszystko dlatego, że im bliżej siebie są cząstki, tym większa jest siła odpychania (tak właśnie działa Siła Coulomba). Co w takim razie stanie się, jeśli spróbujemy wprawić ten układ w ruch? Jak pamiętasz, aby rozświetlić żarówkę elektrony muszą się poruszać. Wbijamy zatem szpilkę w, dajmy na to, drugi elektron i pchamy go w prawo:

Ruch jednej cząstki sprawił, że wszystkie po jej prawej stronie nieco się ścisnęły. Jak pisałem wcześniej, to zupełnie naturalne. Elektrony zawsze chcą zachować jak największe odległości od siebie i takie też zachowanie obserwujemy. Skutkiem ubocznym jest oczywiście wzrost siły odpychania między tymi cząstkami. To niestety oznacza, że jeśli chcielibyśmy pchać nasz elektron jeszcze dalej, to musielibyśmy używać do tego coraz to większej siły (bo elektrony będą się nam przeciwstawiać i coraz silniej odpychać od siebie). W praktyce dwukrotne zmniejszenie odległości miedzy dwiema cząstkami wymaga za każdym razem użycia czterokrotnie większej siły niż wcześniej! A jeśli cząstek jest więcej? Cóż… Wtedy ich siły wzajemnego odpychania się sumują, a nasz problem jedynie się pogłębia.

I to jest właśnie podstawowy szkopuł otwartego obwodu elektrycznego. Jeśli nie dysponujesz nieskończenie dużą siłą, to już po chwili nie będziesz w stanie przesunąć elektronów choćby o kolejny nanometr. Nie ma przy tym znaczenia jak potężne są turbogeneratory w elektrowniach. Pamiętaj, że w prawdziwym przewodzie, na każdym jego metrze, znajdują się tryliony, trylionów tych cząstek i każda odpycha swojego sąsiada. To niewyobrażalnie potężna siła, której nie sposób przezwyciężyć.

Niestety w żaden sposób nie ratuje nas tutaj fakt, że nasz prąd jest przemienny. Co z tego, że elektrony zmieniają po ułamku sekundy kierunek, skoro w żadną ze stron nie mogą się praktycznie przemieścić? Jedynym remedium w tej sytuacji staje się wykorzystanie obwodu zamkniętego. Jego podstawową przewagą jest fakt, że nie dochodzi w nim do tej całej „kompresji” elektronów. Pierwsza przesunięta cząstka przesuwa kolejne i cały łańcuch bez trudu się „przekręca”.

Oczywiście do przesunięcia długiego łańcucha elektronów wciąż potrzeba sporo siły, ale przynajmniej nie trzeba jej stale zwiększać, by utrzymać ciągły ruch ładunków. To tak jakbyś dmuchał przez słomkę i jednocześnie zatykał jej koniec palcem. I co, nie jest łatwo? A teraz oderwij palec. Taka mniej więcej jest różnica między otwartym, a zamkniętym obwodem elektrycznym.

Kiedy obwód elektryczny nie musi być zamknięty?

Oczywiście w historii ludzkości musiał prędzej czy później pojawić się ktoś, kto uznał, że rzeczy niemożliwe są ledwie drobnymi przeszkodami na drodze do osiągnięcia prawdziwego przełomu. Tym człowiekiem okazał się nie kto inny jak Nikola Tesla.

Serbski inżynier doskonale zdawał sobie sprawę z potrzeby zamknięcia obwodu elektrycznego. W jego czasach (około 1890 rok) wydawało się to jedynym sensownym sposobem na przesyłanie energii elektrycznej. No właśnie: wydawało się. Tesla nie miał w zwyczaju przejmować się ograniczeniami realiów w jakich przyszło mu pracować. Stąd też większość jego wynalazków mniej lub bardziej wybiegała w przyszłość. Ten, o którym za chwilę opowiem, należał do zdecydowanie mniej szalonych w portfolio naukowca. I choć na praktyczne zastosowanie musiał poczekać aż do XXI wieku, to już wtedy Tesla zasilał przy jego pomocy małe żarówki, czym dowiódł, że cała koncepcja ma sens. Urządzenie, które stworzył nazwał po prostu Elektrycznym Transformatorem, a właściwie jego zupełnie nową, usprawnioną wersją.

Jeśli mam być dokładny, to na powyższym obrazku widzimy tak naprawdę układ dwóch dużych transformatorów o przekroju kołowym. Każdy z nich, jak to typowy transformator, posiada uzwojenie pierwotne (na zewnątrz symbol C) oraz wtórne (wewnątrz, symbol B). Najważniejsze w tym wszystkim jest jednak połączenie obu transformatorów, które w tym wypadku wykonane jest tylko jednym przewodem. To tak jakby zastąpić znany nam z poprzednich artykułów układ sieci jednofazowej:

Czymś takim:

Przy wielu kilometrach linii przesyłowej, rezygnacja z jednego przewodu to oczywisty zysk. Oszczędzamy tu nie tylko na koszcie samego przewodu, ale i na energii (bo jeden nagrzewający się przewód mniej, to mniejsze straty). No dobrze, ale jak Tesla sprawił, by prąd płynął jednym przewodem?

Po pierwsze wiedział on doskonale, że prąd w otwartym obwodzie elektrycznym nie jest w stanie zawędrować daleko nim jego, nazwijmy to, naprężenie zatrzyma dalszy ruch. Ale kto powiedział, że musi on przebywać duży dystans? W normalnej sieci, takiej, której częstotliwość wynosi 50 Hz, elektrony zmieniają kierunek sto razy na sekundę, czyli co 10 milisekund. Tesla wykombinował, że trzeba prąd zawracać na tyle często, by w praktyce elektrony nie zdążyły dotrzeć do punktu, w którym muszą się zatrzymać. W swoim patencie wspomina o prawie dwóch tysiącach nawrotów na sekundę (czyli o częstotliwości około 1000 Hz). Najnowsze, bazujące na tym samym pomyśle patenty z 2009 i 2018 roku wykorzystują częstotliwości kolejno 20 MHz oraz 5-15 kHz.

Niestety sama częstotliwość nie załatwia sprawy, bo przy zwykłych przewodach zawracanie elektronów nawet kilka milionów razy na sekundę to wciąż zbyt wolno. Dlatego drugim celem Tesli było zwiększenie miejsca dla elektronów poprzez zwiększenie pojemności układu oraz wykorzystanie zjawiska rezonansu. Nie chcę tutaj wchodzić w trudne, techniczne szczegóły, ale oznaczało to ni mniej ni więcej zastosowanie bardzo długiej linii, ogromnych cewek oraz wysokiego napięcia (rzędu kilku- kilkunastu kilowoltów). I tutaj niestety pojawił się problem, którego Tesla przy częstotliwości 1000 Hz nie mógł przeskoczyć – wraz ze wzrostem napięcia drastycznie rosły straty takiej linii, przez co nie nadawała się ona do przesyłania dużych mocy.

Dopiero w ostatnich 10 latach udało się niejako przeskoczyć ten problem, stosując zaawansowaną elektronikę, nowoczesne materiały i dużo wyższą częstotliwość. W ten sposób powstały pierwsze układy zdolne do przesyłania mocy 3000 watów na odległość 2 kilometrów (przy zachowaniu poziomu natężenia pola elektromagnetycznego daleko poniżej szkodliwego dla człowieka). Wszystkim zainteresowanym szczegółami polecam wyszukanie w Google frazy Single-Wire Transmission Line.

Nagły zwrot akcji

Linie jednoprzewodowe, choć z roku na rok notują postępy, nie są jeszcze gotowe do przesyłania ogromnych ilości energii elektrycznej. Wniosek jest zatem prosty: jeśli chcesz zasilać całe miasta, to musisz stosować zamknięte obwody. Ale! I tutaj postawię zwiększającą napięcie pauzę … … … Nie oznacza to, że od źródła do odbiornika muszą biegnąć dwa przewody! Jak to możliwe? Czy da się zbudować obwód zamknięty wyposażony tylko w jedną żyłę?

Przypomnijmy na początek ostatni rysunek z poprzedniego artykułu:

Widzimy tutaj prawilny obwód prądu przemiennego. Jest cewka zasilająca oraz dwa podłączone do niej przewody: fazowy i neutralny (czasami ochronno-neutralny, ale mniejsza o szczegóły). Na rysunku wstawiłem też żarówkę, żeby było dobrze widać co zasilamy.

Obwód jak widać jest zamknięty, a więc elektrony mają miejsce i możliwość bujania się na boki przy skromnej częstotliwości 50 Hz. Wszystko działa. Okazuje się jednak, że nawet w tej sytuacji możemy spokojnie zrezygnować z jednego z przewodów, jednocześnie utrzymując status zamkniętego obwodu. Jak? Wystarczy wziąć dwa metalowe pręty i wbić je głęboko w ziemię:

Czytelniku, przedstawiam Ci SWER, czyli z angielskiego Single-Wire Earth Return. System ten korzysta z faktu, że ziemia również jest relatywnie dobrym przewodnikiem i to właśnie ona pełni w nim rolę domknięcia obwodu elektrycznego. Genialne prawda? Dlaczego zatem tego typu linii nie stosuje się w Polsce?

Pierwszy układ typu SWER zbudowano w Nowej Zelandii w 1925 roku. Obecnie to właśnie tam oraz w Australii znajduje się najwięcej tego rodzaju linii, o łącznej długości ponad 200 tys. km. Oprócz tego SWERy buduje się w Brazylii, na Alasce i w różnych częściach Afryki. Co łączy te wszystkie regiony?

SWER jest niezwykle tani w budowie. Po pierwsze oszczędzamy koszt jednego przewodu. Po drugie, cała linia jest lżejsza, a to pozwala na zastosowanie lżejszych słupów i rozstawienie ich dalej od siebie. Oszczędza się też na izolatorach, a także samym montażu, czyli tzw. robociźnie.

Linia ma jednak zasadnicze wady, tudzież ograniczenia. Przede wszystkim do budowy wydajnego SWERu potrzebna jest dobrze przewodząca gleba. Suche tereny stawiają zbyt duży opór i powodują znacznie większe straty niż tradycyjne linie dwuprzewodowe. Próg sensowności tego rozwiązania to rezystywność gleby poniżej 1000 omów na metr. Kolejna sprawa to znacznie większe spadki napięcia przy dużym obciążeniu. Ostatnią i chyba najważniejszą jest bezpieczeństwo. Nie wchodząc przesadnie w szczegóły, linii tego typu nie można prowadzić nad większymi skupiskami budynków. Poszczególne stacje transformatorowe równię muszą być odpowiednio oddalone od miejsc publicznych. Dlatego też SWER służy często jedynie do doprowadzenia energii do danego obszaru, a dalej prowadzi się już dwa standardowe przewody: fazę i N’kę.

Analizując powyższe wady i zalety, dość oczywisty staje się fakt, dlaczego SWERy buduje się w takich, a nie innych miejscach. Przede wszystkim systemy te nadają się idealnie tam, gdzie odległości między odbiorcami są duże, dostawcy energii znajdują się daleko, a ukształtowanie terenu utrudnia budowę wielkich, tradycyjnych słupów. Z powodów dużych spadków napięcia potrzeby energetyczne odbiorców jednej takiej linii również nie mogą być zbyt duże. Jeśli wszystkie te czynniki są spełnione, wówczas SWER staje się niezwykle tanią alternatywą i sposobem na elektryfikacje obszarów, które, z punktu widzenia skupionych na zysku dostawców, nie miałyby na to szans. Jak wyczytałem w jednym z opracowań na temat tej technologii (do którego namiary znajdziesz w bibliografii na końcu artykułu) elektryfikacja 200 tys. odbiorców przy pomocy SWER jest o około 30% tańsza od tradycyjnego systemu. Przy mniejszej liczbie odbiorców opłacalność może dobić nawet do 40%.

Wracamy na polskie podwórko

Dziś pokazałem Ci dlaczego obwód elektryczny musi być zamknięty, jak Nikola Tesla (prawie) obszedł tę niedogodność oraz jak upiec dwie pieczenie na jednym ogniu: zrezygnować z jednego przewodu i wciąż zachować zamknięty stan obwodu.

Póki co nie zapowiada się jednak na to, by klasyczny układ fazy i N’ki miał zostać w Polsce zastąpiony czymś innym. Dlatego właśnie w następnym artykule powrócimy do rozpracowywania tego, co w naszej tradycyjnej sieci jednofazowej piszczy. A zaczniemy od rozbudowania naszego prostego rysunku o… uziemienie:

Wygląda to trochę jak połączenie zwykłego obwodu ze SWERem prawda? Ale nie o to tu do końca chodzi. Wątek ten poruszymy w kolejnych artykułach, kiedy to odpowiemy sobie na tego typu pytania:

• dlaczego to właśnie przewód neutralny jest uziemiony?
• co daje jego uziemienie?
• czy uziemienie N’ki sprawia, że część prądu płynie ziemią, a nie przewodem?

Pytania trudne, ale jakże trafne. Jeśli chcesz poznać na nie odpowiedzi to zapraszam dalej:

Dlaczego sieć jest uziemiona? (i dlaczego kiedyś nie była)

Polecam trzymać rękę na pulsie, by nie ominęły Cię kolejne treści! Zapisz się na newsletter dostępny poniżej albo obserwuj mój fanpage na facebooku, by nie ominął Cię kolejny artykuł!

---

Dzięki za poświęcony czas!

---

Bibliografia