Основы электрификации

А. М. Петров
ОСНОВЫ 
ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ
Учебник 
Москва    Вологда
«Инфра-Инженерия»
2024

УДК 621.311.1
ББК 31.28
         П30
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент Андреев Леонид Николаевич  
(проект-менеджер ООО «РБ»);
кандидат технических наук Долженко Елена Николаевна  
(декан факультета электроэнергетики, экономики и управления  
ФГБОУ ВО «ЗГУ»)
Петров, А. М.
П30          Основы электрификации : учебник / А. М. Петров. - Москва ;
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 136 с. : ил., табл.
      ISBN 978-5-9729-2154-6 
Дано определение электроэнергии, приведены особенности 
ее взаимодействия с окружающим миром, показаны принципы построения электроэнергетических систем.
Для студентов по специальностям «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического 
оборудования» и «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий», а также специалистов электроэнергетической направленности.
 
УДК 621.311.1
ББК 31.28
ISBN 978-5-9729-2154-6  
‹ Петров А. М., 2024
 
 
 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
 
 
 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024

Оглавление
Введение .............................................................................................4
Часть 1 «ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ» 
...................................................5
1. Из чего состоит электричество" 
....................................................5
2. В чем измеряют электричество" .................................................14
3. Взаимодействие электричества с элементами окружающей 
среды 
..................................................................................................24
4. Законы электричества ..................................................................36
5. Основы электротехники 
...............................................................50
Часть 2 «ОБ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ» 
............................................58
1. Что такое электрификация" 
.........................................................58
2. Электроэнергетическая система и ее расчеты 
...........................63
3. Схемы электрических сетей ........................................................73
4. Рабочие режимы электрических систем ....................................87
5. Качество электрической энергии 
................................................90
6. Регулирование напряжения .........................................................95
7. Способы уменьшения потерь мощности 
в электрических сетях ....................................................................102
8. Основы электрических машин ..................................................106
Заключение 
....................................................................................127
Библиографический список .......................................................128

Введение
Электроэнергия в настоящее время является самым универсальным источником энергии известным человечеству, она легко 
преобразуема в тепловую и механическую энергию, которые так 
необходимы в современных технологических процессах.
В связи с этим возникает необходимость в выпуске грамотных специалистов электроэнергетической направленности. Нужно не просто знать определение электроэнергии, но и понимать 
особенности ее взаимодействия с окружающим миром, владеть 
принципами построения электроэнергетических систем. Именно на таких знаниях и базируется профессионализм специалиста.
С этой целью и был написан данный учебник. Обучаясь специальности, которая, так или иначе, связана с электроэнергетикой, 
чаще всего встает вопрос «базовой книги». То есть, той книги, которая бы дала студенту своеобразную базу и основную информацию об электроэнергетике. С помощью этого учебника студент 
может выбрать для себя путь в электроэнергетике, определиться с дисциплинами, которые будут для него наиболее интересны.
Электроэнергетика - это очень большой и прекрасный мир, 
познать который полностью, к сожалению, не предоставляется 
возможности. Уже с ранних ступеней обучения студент должен 
понимать, углубляться ли ему в теоретические сферы, развивать 
в себе практические навыки. И даже определившись с теоретическим, либо практическим уклоном, студент поймет, что и они подразделяются на множество направлений и переплетений, пройдя 
по которым он станет «широким» специалистом «узкого» профиля. Этот учебник охватывает большую часть четырехгодичного 
среднего профессионального образования студентов по специальностям «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования» и «Монтаж, наладка 
и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий». Прочтя его, надеюсь, студент сможет определить 
путь, по которому будет познавать электроэнергетику.
4

Часть 1  
«ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ»
1. Из чего состоит электричество"
В данной главе учебника рассмотрено, что такое электричество, из чего оно сделано, каким законам подчиняется, а также как 
и с чем оно реагирует. 
При написании данного материала я постараюсь прибегнуть 
к наименьшему количеству формул, наименьшему количеству сложных слов и к большому числу примеров. Посмотрим, как у меня это 
получится. Сразу же необходимо сказать, что данный учебник позиционируется для среднепрофессиональных образовательных учреждений, которые готовят электриков. Электрикам, как известно, электричество интересно только от места его выработки (электростанции) 
до места его использования (потребителя электроэнергии), глубоко рассматривать процессы, происходящие в электричестве, в соответствии с «теорией бесконечной вложенности материи» мы не будем, поскольку этот материал достоин чтения при самообразовании, 
а не при основном учебном процессе. Итак, приступим.
Для начала необходимо наработать терминологию, процесс 
познания любого материала начинается с того, что мы изучаем 
основополагающий термин, а потом «распутываем» его, подобно 
клубку ниток, на менее основные термины, с которыми впоследствии производим то же самое. Основополагающим термином для 
электриков будет естественно «электричество», ниже приведены 
варианты терминов, объясняющих, что это такое.
Электричество - это совокупность явлений, обусловленных 
существованием, взаимодействием и движением электрических 
зарядов [1]. 
5

Электричество - это широкий спектр разнообразных явлений, которые указывают на существование заряженных частиц [2].
Электричество - это совокупное существование, действие 
и взаимодействие электрических зарядов, а именно направленный поток движения заряженных части [3].
 Электричество - это вид энергии, который можно обратить 
в другие виды энергии [4].
Электричество - это совокупность явлений, в которых обнаруживается существование, движение и взаимодействие посредством электромагнитного поля заряженных частиц [5].
Как можно видеть, приведены целых пять терминов того, что 
же такое электричество. Эти термины были взяты из научных статей, словарей и официальных сайтов. Таких терминов при желании можно набрать несколько десятков, это не говорит о том, что 
они не верны, а скорее данная информация говорит нам о том, что 
все еще существует много взглядов на то, что же такое электричество, существует много трактовок, научных школ, где-то возможно идут споры. Всё это указывает нам на жизнеспособность 
взаимодействия электричества с наукой, значит впереди новые теории, открытия, изобретения и как следствие большие масштабы 
работы для электриков. Однако, вначале я писал о том, что нужно подобрать «основополагающий термин», а по факту мы узнали, что таких терминов уйма. Если мы обратим внимание и изучим 
их, то увидим, что имеются некие общие черты. Ниже я попробую 
обозначить их в одном «размытом», но вполне пригодном для «основополагающего термина» определении.
Электричество - это совокупность явлений, связанных с заряженными частицами, которые способны взаимодействовать 
с электромагнитным полем. 
Достаточно «размыто», по моему мнению, но вполне пригодно для роли «основополагающего термина». Итак, «развертывая» 
6

его мы можем видеть, что имеются три основных элемента, из которых состоит термин, это такие элементы, как: заряженные частицы, электромагнитное поле и совокупность явлений, которые 
со всем этим связаны. Именно в таком порядке давайте их и рассмотрим.
Заряженные частицы - это любые частицы, заряд которых 
отличен от нуля [6].
Если рассматривать издалека, то заряд частицы - не обязательно электрический заряд, это лишь один из возможных вариантов. Заряд это своеобразный «документ» или лучше сказать 
«пропуск» частицы, который показывает может ли частица взаимодействовать с тем или иным видом поля (видов «полей» очень 
много, но как электриков нас интересует только электромагнитное), а также с какой силой частице можно с этим полем взаимодействовать. Если заряда нет, то и взаимодействия как такового 
не будет. Для примера можно привести рыбацкую сеть: частица - 
это сама сеть, заряд это ширина ячеек сети, а поле это река с рыбой разных размеров. Чем выше заряд, тем мельче ячейка в сети 
и тем больше рыбы из реки этой сетью можно поймать и наоборот. В результате чем больше рыбы попалось в сеть, тем сильнее 
было взаимодействие с полем. Надеюсь, пример понятен, идем 
дальше разбираться с заряженными частицами. 
Заряженные частицы [7] разделяются по знаку заряда, если 
знак положительный «», то такую частицу мы называем протон, если знак отрицательный «-», то частицу мы называем электрон, если знака нет «0», то частица называется нейтрон. Все эти 
частицы есть в атоме, но как электрикам нам интересны только 
первые две.
Протон - это стабильная элементарная частица с положительным зарядом. Протон полностью противоположен электрону, но тяжелее его в 1836,12 раз.
7

Электрон - это стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица. Считается неделимой и является одной из основных 
структурных единиц вещества. Он обладает одним и тем же зарядом равным í1,602ā10í19 Кулон (Кл). Электроны являются основной 
«двигающей силой» в электрическом токе, подробнее мы рассмотрим это дальше, а сейчас разберемся с электромагнитным полем. 
Здесь всё значительно проще, электромагнитное поле [8] - 
это фундаментальное физическое поле, которое способно взаимодействовать с заряженными частицами (электрически заряженными частицами соответственно, либо с частицами, которые имеют 
электрические и магнитные моменты). Это поле представляет собой совокупность электрических и магнитных полей, которые при 
определенных условиях порождают друг друга.
Здесь необходимо уточнить следующее: электромагнитное поле это вещь неделимая, но она состоит из двух элементов, то есть 
из электрического поля и магнитного поля соответственно. Объем этих элементов в электромагнитном поле нестабилен и зависит 
от условий среды и явлений, которые происходят в этой среде. Если среда благоприятна для электрического поля, то это электромагнитное поле «подстраивается» под среду и состоит, допустим 
на 99,99  процентов из электрического поля, а на 0,01  из магнитного и наоборот. Чистейшего магнитного или чистейшего электрических полей во Вселенной не существуют, есть только разные пропорции электромагнитного поля в зависимости от среды.
Если брать более-менее современную формулировку, то электромагнитное поле в ней представлено тензором (объект преобразующий элементы одного в элементы другого), который можно 
разбить на три компонента: напряженность электрического поля, 
напряженность магнитного поля и электромагнитный потенциал.
По сути, эти компоненты можно описать парой фраз следующим образом [9]:
8

Напряженность электрического поля - величина, которая 
показывает сколько электрического поля в данной точке пространства, измеряется в вольтах деленный на метр (В/м).
Напряженность магнитного поля - величина, которая показывает сколько магнитного поля в данной точке пространства, 
измеряется в амперах деленный на метр (А/м).
Электромагнитный потенциал - величина, отвечающая 
за пропорции магнитного и электрического полей в общем электромагнитном поле.
Идем далее, когда электромагнитное поле взаимодействует 
с чем-либо (распространяется в пространстве), это можно назвать возмущением. В свою очередь возмущение электромагнитного поля называют электромагнитной волной. Электромагнитные волны интересны тем, что в зависимости от их длины и частоты у них появляются 
разные свойства. Электромагнитные волны это звук, свет, тепло и так 
далее (табл. 1), в зависимости от вышеуказанных параметров. И тут 
читатель должен понять, что большая части электроприборов, по сути, являются ни чем иным, как регуляторами электромагнитных волн.
Таблица 1
Шкала электромагнитных волн [10]
Длина волн
Частота 
(Гц)
Диапазоны
Название 
группы волн 
(или частот)
Основные способы 
получения
и применения
108 км 
1013 cм
3˜10-3
Инфранизкие 
частоты
Генераторы 
специальных 
конструкций 
Низкие
частоты
107 км
1012 cм
3˜10-2
106 км
1011 cм
3˜10-1
105 км
1010 cм
3˜1
Низко
частотные
волны
Промышленные частоты
104 км
109 cм
3˜10
103 км
108 cм
3˜102
Генераторы переменного тока;
большинство электрическихприборов 
и двигателей
питается переменным 
током 50-60 гц.
102 км
107 cм
3˜103
9

Продолжение таблицы 1
Длина волн
Частота 
(Гц)
Диапазоны
Название 
группы волн 
(или частот)
Основные способы 
получения
и применения
10 км
106 cм
3˜104
Звуковые 
частоты 
Звуковые генераторы. Используются в электроакустике 
(микрофоны), кино, 
радиовещании
1 км
105 cм
3˜105
10-1 км
104 cм
3˜106
Средние
10-2 км
103 cм
3˜107
Короткие
1 м
102 cм
3˜108
Метровые
1 дм
10 cм
3˜109
Дециметровые
Радиоволны 
Длинные
Генераторы электрических колебаний различных конструкций. 
Используются в телеграфии, радиовещании, телевидении, радиолокации и т. д. Метровые и дециметровые волны используются для исследования 
свойств вещества
1 мм
10-1 cм 
3˜1011
1 см
1 см
3˜1010
Сантиметровые
Миллиметровые
Переходные
Получаются в магнетронных, клистронных генераторах 
и мазерах. Применяются в радиолокации, 
радиоспектроскопии 
и радиоастрономии
102 мкм
10-2 cм
3˜1012
10 мкм
10-3 cм
3˜1013
Декамикронные
Микронные
1 мкм
10-4 cм
3˜1014
Инфра- 
красные 
лучи
Излучение нагретых 
тел (газоразрядные 
лампы и т.п.) Используются в инфракрасной спектроскопии, 
при фотографировании в темноте (в инфракрасных лучах)
Световые лучи
10 нм
10-6 cм
3˜1016
Ближние
Крайние
1 нм
10-7 cм
3˜1017
Излучение Солнца, 
ртутных ламп и т. п. 
Используются в ультрафиолетовой микроскопии, в медицине
102 нм
10-5 cм
3˜1015
Ультрафиолетовые
лучи
10