Передача электроэнергии на расстояние

Электрический ток, рожденный на дальних электростанциях, несёт нам по висячим магистралям проводов свет, тепло, механическую силу.

Замечательные путешествия электрической энергии вошли в повседневность. Теперь они никого не удивляют. Но много лет упорного и напряженного труда было затрачено электротехниками, прежде чем удалось заставить электроэнергию преодолевать пространство.

В решение этой сложнейшей электротехнической задачи крупнейший вклад внесли русские учёные.

Они осуществили смелые опыты передачи электроэнергии на большое расстояние. Они создали систему электрической передачи, которая оказалась наиболее экономичной и совершенной; она повсеместно применяется и поныне. В их теоретических трудах находят опору проектировщики энергомагистралей завтрашнего дня.

Одним из электриков, доказавших возможность передачи электроэнергии на расстояние, был изобретатель Ф. А. Пироцкий (1845—1893), построивший в Петербурге в 1874—1875 годах опытную электропередачу длиной в 1 километр.

Пироцкий энергично пропагандировал идею электрической передачи в статье «О передаче работы воды, как движителя, на всякое расстояние посредством гальванического тока», напечатанной после его опытов, он писал: «В виду громадных издержек, необходимых на содержание паровых движителей больших заводов и фабрик, нам пришла мысль о возможности передачи работы воды, как самого дешевого движителя, на известное расстояние посредством гальванического тока, полученного какою-либо динамомашиною».

Изобретатель-патриот мечтал о благе своёй родины. «У нас в России, — писал он, — передача работы может иметь огромное применение в чём нетрудно убедиться, взглянув на карту».

Нужно использовать дешевую энергию рек, призывал новатор, заставить водяные турбины отдавать свою мощь генераторам тока, передавать эту энергию на далекие расстояния заводам, и фабрикам.

Пироцкий упорно проводил расчеты электропередачи и в 80-х годах поставил новые опыты.

Ещё в пору первых опытов Пироцкого П. Н. Яблочков, работая с освещением улицы Оперы в Париже в 1876 году, создал линию электрической передачи длиной в 1 километр. По этой линии, предназначенной уже не для опытов, а для повседневной эксплуатации, передавался ток нормального напряжения. Таким образом, великий электротехник занимался и устройством электропередачи на сравнительно большое расстояние, имевшей практическое значение.

Яблочков подчеркивал необходимость централизованного производства электричества и распределения его по сети между многочисленными потребителями.

Этот принцип, ныне лежащий в основе производства и потребления электроэнергии во всем мире, смог быть воплощен в жизнь только после того, как электротехника овладела способом удобно и экономно передавать электроэнергию на большие расстояния.

В 1882 году центральную электростанцию построил и Эдисон. Его электростанция производила постоянный ток, и поэтому радиус её действия был меньше 1 километра.

Опыты Пироцкого и работы Яблочкова ещё не могли разрешить противоречия, назревшего в последней четверти XIX века в электротехнике: производство электроэнергии в больших количествах столкнулось с неумением передавать её на далекие расстояния, туда, где в ней была нужда. Заставить электричество преодолевать пространство было труднейшей задачей.

Часть электрической энергии при передаче по проводам теряется, расходуется на нагревание проводников. И чем сильнее ток, тем больше такие потери. Потери можно несколько уменьшить, увеличивая сечение проводов, сокращая тем самым их сопротивление. Однако, идя таким путем, нельзя разрешить проблему экономичности передач большой мощности.

В 1880 году в русском журнале «Электричество», одном из старейших в мире электрических журналов, Дмитрий Александрович Лачинов (1842—1902) указал замечательный путь для разрешения возникшего перед техникой противоречия: Лачинов предложил пользоваться для передачи токами высокого напряжения.

Способ Лачинова мог быть успешно воплощен в практику при условии применения переменного тока и трансформаторов.

Трансформаторы, повышая напряжение тока в начале линии передачи и понижая его в конце, позволили бы избежать больших потерь на нагревание проводов.

Мы уже знаем — при создании системы «дробления света» П. Н. Яблочков использовал прибор, который явился прообразом трансформатора. Несколько лет спустя, в 1882 году, Иван Филиппович Усагин — лаборант Столетова, человек, вышедший из народа и благодаря своим выдающимся способностям поднявшийся до вершин науки, — применил трансформатор для освещения электротехнического павильона Всероссийской промышленно-художественной выставки в Москве. Председатель жюри выставки великий учёный К. А. Тимирязев подписал Усагину особый диплом: «За успешные опыты электрического освещения через посредство отдельной индукции и в поощрение дальнейшей разработки этой методы». Позже Усагин получил также диплом «За открытие трансформации токов».

В 1884 году в Италии на выставке в Турине демонстрировался трансформатор Голларда и Гиббса. Изобретателем был Голлард, который из-за отсутствия средств для создания машины пригласил в компанию банкира Гиббса. Более совершенную конструкцию трансформатора создали вскоре венгерские инженеры — Циперновский, Дери и Блати. В их машине были применены железные сердечники, повышающие её коэффициент полезного действия. Так подготавливалось создание одного из звеньев электропередачи. По пути повышения напряжения пошел французский электротехник Депре, который осенью 1882 года провел электропередачу длиной в 57 километров. Но Депре передавал постоянный ток. Соединив несколько динамо-машин в единую сложную систему, Депре получил ток с напряжением в 2 тысячи вольт при общей мощности в 2 лошадиные силы. Потери в линии Депре были довольно большими: к потребителю пришла только одна пятая часть отправленной энергии.

Однако, несмотря на успешные опыты, передачи электроэнергии на дальние расстояния все ещё не могли войти в жизнь, так как переменный ток нужен был только для электрического освещения. В силовой же энергетике переменный ток не применялся: двигателя, могущего как следует использовать этот ток, не было. Пытаясь же передать на большее расстояние постоянный ток, который господствовал тогда в промышленности, конструкторы передач останавливались перед неразрешимой в те времена задачей. Нужно было получить постоянный ток высокого напряжения, чтобы уменьшить потери энергии на линии передачи.

И вот в эти годы исканий и разочарований русский инженер М. О. Доливо-Добровольский создает новый электродвигатель — трехфазный асинхронный двигатель, работающий на переменном токе, значительно более простой, надежный и экономичный, чем двигатели постоянного тока. Это событие большой исторической важности, как мы уже знаем, произошло в 1890 году. Оно способствовало окончательному решению проблемы электропередачи.

Техника переменного тока уже располагала в то время альтернаторами, значительно более удобными, чем динамо-машины постоянного тока, и трансформаторами, обеспечивающими экономичность передачи; переменный ток постепенно начинает завоевывать господство в электроэнергетике.

В 1891 году заработала электропередача, спроектированная и построенная Доливо-Добровольским.

Линия электропередачи протянулась на 170 километров между Лауфеном и Франкфуртом.

Альтернаторы лауфеновской гидростанции производили трехфазный переменный ток. Затем трансформаторы повышали напряжение тока до 25 тысяч вольт. Ток пробегал 170 километров по трехпроводной линии.

Во Франкфурте ток попадал в другой трансформатор, понижавший его напряжение до 65 вольт.

Преображенный ток вращал асинхронные моторы системы Доливо-Добровольского и вспыхивал в электрических лампочках. Инженерное руководство всем строительством электропередачи осуществлялось русскими специалистами, в том числе и Р. Э. Классоном, известным инженером, построившим первые русские электростанции в Петербурге, Москве и Баку.

По линии передавался ток мощностью в 300 лошадиных сил, только одна пятая мощности терялась. Вспомним, что в передаче Депре соотношение было как раз обратным.

Успех передачи Доливо-Добровольского окончательно разбил все скептические утверждения противников переменного тока: электротехнику не удалось сбить с единственно правильного пути. Техника переменного трехфазного тока стремительно развивалась.

В начале 90-х годов, вскоре после создания знаменитой лауфеновской передачи, известные русские электротехники В. Н. Чиколев, Р. Э. Классон предложили электрифицировать на основе применения трехфазного тока Охтенский завод в Петербурге.

На реке Охте предполагалось создать центральную гидроэлектростанцию и питать вырабатываемой энергией как двигатели, приводящие действие машины завода, так и систему электрического освещения предприятия. Словом, производство электрифицировалось примерно в том же объеме, в каком электрифицированы современные предприятия. Проекты Чиколева и Классона были грандиозным для тех времён обобщением всех успехов электротехники. Авторы проектов попутно. разрешили многочисленные теоретические и практические трудности, встававшие при создании промышленной энергетической системы. Так, при создании Охтенской энергосистемы Р. Э. Классон доказал важность заземления корпусов электрических машин как необходимого условия безопасного обращения с ними. Большое значение имело сочетание силовой и осветительной нагрузок станции. Классон разработал систему включения машин; успешно были решены и другие специальные вопросы. Охтенскую «электрическую передачу силы трехфазным током», вступившую в строй в 1896 году, справедливо считают образцом централизации производства электроэнергии на основе трехфазного тока.

Прошли немногие годы, и трехфазный переменный ток побежал по линиям электропередач, питая тысячи электродвигателей на заводах и фабриках, миллионы электрических ламп, огромные электропечи. Постоянный же ток остался монополистом только в некоторых областях — в электрохимии, электрометаллургии, в подводном флоте, в городском и железнодорожном транспорте.