Утверждение, что в розетке 220 вольт, не совсем точно. С 1992 года действует ГОСТ 29322-92, который устанавливает напряжение в бытовой электросети на уровне 230 В. Однако допускаются отклонения на 10% в обе стороны, что означает, что в розетке может быть от 207 до 253 В, и вся техника должна нормально функционировать в этом диапазоне.

Но откуда же взялась эта загадочная цифра «220»? Причина кроется в сочетании исторических и экономических факторов. В этом деле задействованы различные типы электрических ламп, а также фигуры Томаса Эдисона и Михаила Доливо-Добровольского. Давайте разберёмся подробнее.

Электротехника — консервативная область, где важна совместимость с ранее созданными системами. Их замена может быть дорогой и неудобной, поэтому современные стандарты могут уходить корнями в прошлое более чем на сто лет.

Выбор напряжения в электросети всегда является компромиссом. Если сделать напряжение слишком низким, оно будет быстро падать из-за сопротивления проводов, что затруднит его передачу на большие расстояния. Слишком высокое напряжение увеличивает требования к качеству изоляции и создает риск для жизни.

В первых электрических сетях в конце XIX века в США часто использовали напряжение 110 В. Согласно одной из версий, эксперименты Томаса Эдисона показали, что его лампы накаливания с угольными нитями достигали наилучшего сочетания яркости и долговечности при напряжении около 100 В.

Однако при передаче тока происходили потери, связанные с сопротивлением проводов. Чтобы гарантировать получение 100 В потребителями, напряжение на стороне электростанции повысили на 10% — до 110 В. Это напряжение обеспечивал один из первых массовых электрогенераторов, известный как «Длинноногая Мэри-Энн».

Электрогенератор Томаса Эдисона, конец 1880-х

Был и второй аргумент в пользу 110 В. Ещё до опытов Эдисона с лампами накаливания широкое распространение получили дуговые электролампы. Несколько их конструкций разработали наши соотечественники Владимир Чиколев и Павел Яблочков.

Дуговая лампа системы Владимира Чиколева из коллекции Политехнического музея

Опытным путём было установлено, что наиболее устойчивая дуга между угольными электродами горит при напряжении около 45 В. Однако дуговым лампам требовалось балластное сопротивление; без него в момент зажигания электрической дуги происходило бы короткое замыкание, что могло вывести генератор из строя. В целях экономии предлагалось использовать одно балластное сопротивление для двух последовательно соединённых ламп. На этом сопротивлении падало около 20 В, что давало в итоге 45 + 45 + 20 = 110 В.

Напряжение 110 В было достаточным для типичных электроприборов того времени и соответствовало качеству доступных изоляционных материалов. Однако с ростом числа потребителей Эдисон столкнулся с проблемой балансировки нагрузок: где-то лампы горели ярче, а где-то тусклее. Тогда он предложил соединить разноимённые полюса двух генераторов и подавать ток по трём проводам: +110 В, 0 и −110 В. Потребителей распределяли между двумя линиями, и при идеальной балансировке ток по центральному проводнику не шёл, что позволяло сделать его тоньше. Если же ток появлялся, сотрудники Эдисона могли его измерить и скорректировать нагрузку. Переход на трёхпроводную систему позволил сократить затраты меди на 60% по сравнению со старой схемой.

Схема трёхпроводной системы Эдисона, 1882

Существовал и другой положительный эффект: более мощные электроприборы, например электродвигатели, можно было подключать не между линией и нулём, а между двумя разнополярными линиями, получая таким образом напряжение 220 В — хотя это ещё не те, которые нас интересуют.

Эдисон был сторонником постоянного тока, однако будущее оказалось за переменным. Параметры, выбранные опытным путём, остались неизменными, и с учётом перехода на переменный ток и небольшого повышения напряжения (до 120/240 В вместо 110/220) система двухполярного питания используется в США до сих пор. Лампочки и маломощные приборы подключают к 110/120 В, а крупную технику, такую как электроплиты и стиральные машины, — к 220/240 В.

Пока в Америке шла «война токов», в Германии работал российский инженер Михаил Доливо-Добровольский. Исследуя способы передачи электроэнергии на дальние расстояния, он решил сделать отводы от трёх равноотстоящих обмоток электрогенератора. При этом напряжение на каждом отводе отставало от напряжения на соседнем на треть периода, то есть разность фаз между ними составляла 120°.

Так была разработана трёхфазная система передачи тока, которая используется и по сей день. Эта система также сыграла свою роль в том, почему сегодня в наших розетках 220 В. Как именно — вернёмся к рубежу XIX и XX веков.

Анализ заокеанского опыта

В начале XX века во всех промышленно развитых странах, включая Российскую империю, активно проводилась электрификация. Этот процесс зачастую опирался на американский опыт, хотя не было полного копирования. Некоторые электростанции, как и в США, подавали потребителям постоянный ток напряжением 110 В, тогда как другие следовали собственным стандартам. Например, в 1900 году «Общие условия пользования электроэнергией от центральной станции…» в Москве предусматривали напряжения 105, 125 или 155 В у «вводного ящика».

В любом случае, это было довольно низкое напряжение. Как вы, вероятно, знаете из школьного курса физики, электрическая мощность рассчитывается как произведение напряжения и тока. Если напряжение остаётся неизменным, для передачи большей мощности необходимо увеличивать ток, что, в свою очередь, требует большего сечения проводов и, следовательно, тратит дорогостоящую медь. Уже в начале века европейские и русские инженеры отмечали, что напряжение чуть более 100 В не удовлетворяет растущим потребностям городов и промышленных предприятий. Кроме того, критиковали саму систему постоянного тока, которая не позволяла использовать трансформаторы — устройства, способные легко и почти без потерь менять величину напряжения.

В 1914 году по итогам VII Всероссийского электротехнического съезда в новом издании «Правил и норм электротехнических устройств…» было рекомендовано использовать напряжение 220 В для переменного тока. Следующий Всероссийский электротехнический съезд, проведённый после революции 1917 года, предписал использовать трёхфазную систему, как и предлагал Доливо-Добровольский. На стороне потребителя гарантировалось линейное напряжение 210 В, а на стороне генератора должно было быть 220 В.

Выдержка из «Правил и норм электротехнических устройств сильных токов» за 1925 год

«Ну теперь-то это те самые 220 вольт?» — спросит читатель. Всё ещё нет! В вышеописанной системе 220 В — это линейное напряжение, то есть напряжение между двумя различными фазами. А фазное напряжение (между любой из трёх фаз и нулём), которое подаётся в дома и квартиры, было в корень из 3 раз меньше, то есть 127 В.

«Получает 220, отдаёт 127…»

Напряжение 127 В было основным в бытовых сетях СССР до начала 1960-х годов, хотя уже в начале 1930-х советские инженеры-электротехники отмечали, что система 220/127 быстро устаревает. В рамках модернизации предлагалось установить новое фазное напряжение на уровне ранее существовавшего линейного, что привело бы к системе 380/220 В. К 380 В планировалось подключать промышленное оборудование, а к 220 В — бытовые приборы. Преимущества повышения напряжения были очевидны: для питания той же нагрузки требовалось почти вдвое меньше меди.

Новые электросети, например в таких городах, как Витебск, Вязьма, Златоуст, Камышин и Россошь, сразу проектировались под напряжение 380/220 В. В городах, где уже существовали развитые сети старого стандарта, переход осуществлялся постепенно. В Москве решение о переходе на напряжение 220 В было принято в 1954 году.

Спросите своих родителей или бабушек с дедушками — возможно, они вспомнят, что многие электроприборы их молодости имели переключатель «127/220 В», позволяя использовать их как в старых, так и в новых сетях. Слушая новые пластинки, проигрыватель нередко брали с собой в гости в другие районы города, где было другое напряжение. Забыв переключить колодку, можно было сжечь трансформатор.

Колодка переключения напряжений на задней стенке телевизора КВН-49 из коллекции Политехнического музея

Приборы с мощными электродвигателями и компрессорами (скажем, пылесосы и холодильники) переключателей напряжения не имели, и для эксплуатации старых моделей в новых электросетях нужны были отдельные понижающие трансформаторы. Тогда же возник анекдот:

— Вовочка, кем работает твой папа?
— Трансформатором.
— Это как?
— Получает 220, отдаёт 127, а на остальные гудит!

Процесс перехода на 220 В затянулся: в жилых домах от напряжения 127 В в основном ушли к концу 1980-х, хотя в отдельных старинных зданиях вроде Большого театра сети на 127 В работали до середины 2000-х.

Аналогичные процессы во второй половине XX века шли в Европе: жители Франции, Бельгии, Швеции и других стран вспоминают переход со 127 (а кое-где — и со 110) на 220 В в 1950–1970-х годах.

Так сколько же вольт в розетке?

Говоря о величине сетевого напряжения, нельзя не упомянуть ещё один важный момент. Ток в наших розетках — переменный. Это значит, что он циклически изменяется как по величине, так и по направлению. Если изобразить график напряжения в сети, он будет иметь форму синусоиды.

Напряжение переменного тока, указанное на розетках, — это не максимальное значение, а так называемое действующее, или среднеквадратичное значение. Оно соответствует величине постоянного напряжения, при которой на той же нагрузке выполнялась бы такая же работа.

Когда мы говорим, что в розетке переменное напряжение 220 В, мы подразумеваем, что это напряжение эквивалентно по своему действию постоянному напряжению 220 В. Лампа накаливания, подключённая к сети переменного тока номиналом 220 В, будет гореть так же ярко, как если бы её подключили к сети постоянного тока с «честным» напряжением 220 В.

Поскольку переменное напряжение постоянно меняется и в некоторые моменты вообще равно нулю, для того чтобы оно производило такую же работу, как и постоянное, его максимальное (или амплитудное) значение должно быть выше. Насколько именно, можно определить, сравнив площади под графиком напряжения — синусоиды в одном случае и прямой линии в другом.

Сравнение графиков переменного и постоянного напряжения с одинаковым действующим значением показывает, что максимальное (амплитудное) значение напряжения в розетке составляет 220 × корень из 2, что примерно равно 310 В. Если вы когда-либо разбирали блоки питания, могли заметить, что фильтрующие конденсаторы в них рассчитаны не на 250 В, а как минимум на 350 В — это необходимо для того, чтобы они могли выдерживать максимальное амплитудное напряжение.

Связь времён

В этих числах легко запутаться. Но насколько простому человеку нужно знать, какое напряжение в его розетке? Большинство современных гаджетов оснащено электронными адаптерами питания, которые могут работать в широком диапазоне входных напряжений — от 90 до 250 В. С таким адаптером и набором переходников можно путешествовать по всему миру и даже не заметить, что в одной стране в розетке 100 В, в другой — 120 В, а в третьей — 230 В. Однако для мощных устройств, в конструкции которых присутствуют электродвигатели и нагревательные элементы, правильный выбор напряжения остаётся критически важным.

Напряжение, указанное на корпусе того или иного устройства, — это не случайное число. Оно напоминает о многолетней истории поисков, проб и ошибок, в которую внесли свой вклад многие учёные и инженеры со всего мира.