Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень Лекция 3.5 Первые исследования в области передачи электрической энергии на большие расстояния

Проблема передачи энергии на расстояние возникла задолго до того, как были построены первые электростанции. Но особенно актуальна она стала в связи с возникновением крупных предприятий.

Раньше всего возникли способы механической передачи (штанги, тяги, канаты), а затем получили распространение разные способы передачи механической энергии посредством систем приводных ремней и канатов. Подобная (трансмиссионная) передача даже теперь не совсем отмерла.

В 40 – 50 - х гг. XIX в. ученые США, Италии и др. стран заговорили о возможности использования железной дороги для передачи электроэнергии на расстояния.

Исключительно большую роль в пропаганде научно - технических знаний и прогресса сыграли международные и национальные выставки. В России первая выставка отечественной промышленности была открыта в 1829 г. Первая в мире электротехническая выставка была открыта в марте 1880 г. в Петербурге, а первая международная электротехническая выставка - в 1881 г. в Париже.

В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой и начинается история электропередачи. На ней французский электротехник Ипполит Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Между генератором и двигателем он включил барабан с кабелем длиной немного больше 1 км. Этим опытом была продемонстрирована реальная возможность передачи электрической энергии на расстоянии. Вместе с тем сам Фонтен не был убежден в экономической целесообразности электропередачи, так как при включении кабеля получил значительное снижение мощности двигателя, т.е. большие потери энергии в кабеле.

Из закона Джоуля - Ленца известно, что потери в проводах составляют:

Снижение удельного сопротивления проводов практически неосуществимо (медь имеет предельно малое ρ). Таким образом, имелось только два пути снижения ∆Р: увеличение сечения проводов или увеличение напряжения.

В 70 - х годах был исследован первый путь, так как он казался более естественным и легче осуществимым в техническом отношении.

В 1874 г. русский военный инженер Федор Аполлонович Пироцкий пришел к выводу об экономической целесообразности производства электрической энергии там, где она может быть дешево получена благодаря наличию топлива или гидравлической энергии, и передачи ее по линии к потребителю. В том же году он приступил к опытам по передаче энергии от небольшого генератора Грамма к электродвигателю. Дальность передачи составила 1 км. Для уменьшения потерь в линии Пироцкий предлагал в качестве проводов использовать железнодорожные рельсы. В 1875 г. он провел опыты передачи электроэнергии по рельсам бездействовавшей ветки Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,5 км. Оба рельса были изолированы от земли, один из них служил прямым, другой – обратным проводом.

Опыты Пироцкого привлекли внимание к возможностям передачи электроэнергии вообще и помогли выявить правильное направление в исследованиях. А его предложение об использовании железнодорожных рельсов позже нашло применение при разработке первых проектов городских электрических железных дорог.

Другой путь решения проблемы передачи электрической энергии (повышение напряжения) длительное время осмысливался теоретически.

Наиболее обстоятельное исследование этого вопроса выполнили в 1880 г. независимо друг от друга французский инженер Марсель Депре и профессор физики Петербургского лесного института Дмитрий Александрович Лачинов.

В марте 1880 г. в Парижской академии наук был опубликован доклад Депре «О КПД электродвигателей и об измерении количества энергии в электрической цепи», где он математически доказывал, что КПД установки из электродвигателя и линии передачи не зависит от сопротивления самой линии. Такой вывод самому Депре показался парадоксальным, так как ему не удалось вначале установить, что увеличение сопротивления линии не влияет на эффективность электропередачи только при увеличении напряжения передачи.

Эти условия впервые были указаны Лачиновым в июне 1880 г. в первом номере журнала «Электричество». Лачинов показал, что «полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условии увеличения скорости вращения генератора (т. е. при повышении напряжения в линии, т.к. э. д. с., развиваемая генератором, пропорциональна частоте его вращения). Он также установил количественное соотношение между параметрами линии передачи, доказав, что для сохранения к. п. д. передачи при увеличении сопротивления линии в n раз необходимо увеличить частоту вращения генератора в раз.

Депре к подобным выводам пришел год спустя.

В 1882 г. Депре строит первую линию электропередачи Мисбах-Мюнхен длиной 57 км. На одном конце опытной линии в Мисбахе была установ­лена паровая машина, приводившая в действие генератор постоянного тока мощностью 3 л.с., дававший ток напряже­нием 1,5 - 2 кВ. Энергия переда­валась по стальным телеграфным проводам диаметром 4,5 мм на территорию выставки в Мюнхене, где была ус­тановлена такая же машина, работавшая в режиме электродвигателя и приводившая в действие насос для искусственного водопада. Хотя этот первый опыт и не дал благоприятных результатов (к. п. д. передачи не превосходил 25 %), эта линия явилась отп­равным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и средств передачи электроэнергии на расстояние.

Отметим интересный факт. Теория телеграфных линий была разработана достаточно хорошо, и было известно, что наибольший эффект в работе приемного устройства достигается тогда, когда его сопротивление вместе с сопротивлением соединительных проводов равно внутреннему сопротивлению источника. Но при этом КПД всей установки составляет 50%. Иными словами, режим передачи наибольшей мощности от источника к нагрузке соответствовал КПД лишь 0.5!

Но для энергетической техники важен экономический эффект и к. п. д. следует всемерно повышать даже в ущерб количеству передаваемой мощности. Это обстоятельство долгое время оставалось труднодоступным для понимания, и даже крупные специалисты из – за этого теряли перспективу в научных поисках и часто прекращали работу.

В 1885 г. были опять произведены новые опыты по передаче энергии постоянного тока на расстояние 56 км. Были специально построены генераторы постоянного тока, дававшие напряжение до 6 кВ.

Тем не менее, попытки решить проблему передачи на постоянном токе не принесли желаемых результатов. Для передачи энергии требовалось получать высокие напряжения, а технические возможности того времени не позволяли строить генераторы постоянного тока высокого напряжения - не выдерживала изоляция. Кроме того, энергию постоянного тока высокого напряжения не представлялось возможным легко использовать потребителям: нужно было иметь двигательно-генераторную установку для преобразования высокого напряжения в низкое.

Еще один путь использования постоянного тока для электропередачи был намечен в указанной выше работе Лачинова: он предлагал для повышения напряжения соединить последовательно несколько машин на каждом конце линии. В этом случае каждая отдельная машина могла быть рассчитана на низкое напряжение и быть более надежной. Фонтен первым реализовал эту идею в 1886 г, создав установку, к. п. д. которой составлял 52% .

Трудности, связанные с электропередачей на постоянном токе, направили мысли ученых на разработку техники и теории переменного тока. Когда основные элементы техники переменного тока были разработаны (генераторы, трансформаторы), начались попытки осуществить промышленную передачу энергии на переменном токе.

В 1883 г. Л. Голяр осуществил передачу мощности 20 л.с. на расстояние 23 км для питания осветительных установок Лондонского метрополитена. Трансформаторы повышали напряжение до 1500 В. Через год он осуществил передачу мощности примерно 40 л. с. на 40 км при напряжении 2000 В.

Однако во второй половине 80-х годов возникла и была актуальнейшей задача включения в сеть электростанций силовой нагрузки. Таким образом, и при передаче электроэнергии однофазным переменным током снова возникло противоречие не менее серьезное, чем при электропередаче постоянным током. Напряжение однофазного переменного тока можно легко повышать и понижать с помощью трансформаторов практически в любых желаемых пределах, т.е. при передаче энергии затруднений нет. Но однофазные двигатели переменного тока имели совершенно неприемлемые для целей практики характеристики (они либо вообще не имели пускового момента (синхронные двигатели), либо пускались с очень большим трудом из – за тяжелых условий коммутации тока (коллекторные двигатели), и сфера применения переменного тока пока ограничивалась исключительно электрическим освещением, что не удовлетворяло требованиям промышленности.