Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень Лекции 3.6-3.7 Электростанции постоянного и однофазного переменного тока

Электростанции в современном смысле этого слова появились не сразу. В 70 - 80-х годах XIX века место производства электроэнергии еще не было отделено от места ее потребления. Электростанции, обеспечивающие электроэнергией ограниченное число потребителей, назывались блок - станциями.

В связи с трудностями регулирования системы дугового освещения на первых порах строились специализированные блок - станции: одни для дуговых ламп, другие - для ламп накаливания.

Развитие первых электростанций было сопряжено с преодолением трудностей не только научно - технического характера. Так, городские власти запрещали сооружение воздушных линий, опасаясь за внешний вид города. Газовые компании, опасаясь конкуренции, всячески подчеркивали действительные и мнимые недостатки нового вида освещения.

На таких блок-станциях в качестве первичных двигателей поначалу применяли в основном поршневые паровые машины - локомобили (иногда двигатели внутреннего сгорания, которые были новинкой). От первичного двигателя к электрическому генератору делалась ременная передача, позволявшая приводить в движение быстроходные электрические генераторы от сравнительно тихоходных паровых машин. Для регулирования натяжения ремня генераторы монтировались на салазках.

Впервые блок - станции были построены в Париже для питания свечей Яблочкова на улице Оперы. В России первой установкой такого рода явилась станция для освещения Литейного моста в Петербурге, созданная в 1879 г. при участии Яблочкова. С конца 1881 г. возникают блок – станции, в сети которых включались дуговые лампы совместно с лампами накаливания.

Однако идея централизованного производства электроэнергии была настолько экономически оправданной и соответствовала тенденции концентрации промышленного производства, что первые такие станции возникли уже в середине 80-х годов и быстро вытеснили блок - станции. В начале 80 – х годов массовыми потребителями электроэнергии могли стать только источники света, поэтому первые центральные электростанции проектировались для питания осветительной нагрузки и вырабатывали постоянный ток.

В 1881 г. несколько американских финансистов под впечатлением успеха, которым сопровождалась демонстрация ламп накаливания, заключили с Эдиссоном соглашение и приступили к строительству первой в мире центральной электростанции (в Нью-Йорке). В сентябре 1882 г. она была сдана в эксплуатацию. В машинном зале было установлено 6 генераторов Эдиссона мощностью по 90 кВт каждый, а суммарная мощность станции была более 500 кВт. Станция была спроектирована очень рационально: генераторы имели искусственное охлаждение; они соединялись непосредственно с приводными двигателями; осуществлялась механическая подача топлива в котельную и механическое удаление золы и шлаков; защита от токов к.з. осуществлялась плавкими вставками; магистральные линии были кабельными, а напряжение регулировалось автоматически. Так что в дальнейшем при сооружении других станций развивались эти правильные принципы. Данная электростанция снабжала энергией значительный по размерам для того времени район площадью 2,5 км².

Исходные величины напряжений первых электростанций, от которых впоследствии были произведены другие, образующие известную шкалу напряжений, сложились исторически.

Дело в том, что в период исключительного распространения дугового освещения эмпирически было установлено, что наиболее подходящим для горения дуги является U = 45 В. Чтобы уменьшить токи к.з. в момент зажигания ламп (при соприкосновение углей) и для более устойчивого горения дуги, последовательно с дуговой лампой включали сопротивление. Также эмпирически было найдено, что величина этого сопротивления должна быть такой, чтобы падение напряжения на нем при нормальной работе составляло ~ 20 В. Таким образом, получалось U = 65 В, что долго и применялось. Однако часто в одну цепь включали две дуговые лампы, отсюда U= 2 ∙ 45 +20 = 110 В. Это напряжение и было принято почти повсеместно в качестве стандартного.

Уже при проектировании первых центральных электростанций столкнулись с трудностями, которые в достаточной степени не были преодолены в течение всего периода господства техники постоянного тока.

Радиус электроснабжения определяется величиной допустимых потерь напряжения в сети, которые для данной сети тем меньше, чем выше напряжение. Именно это заставляло строить электростанции в центральных частях города, что существенно затрудняло не только обеспечение водой и топливом, но и удорожало стоимость земельных участков для строительства. Этим, в частности, объясняется вид Нью-Йорской электростанции, где оборудование располагалось на многих этажах. Аналогичная ситуация была и в Петербурге: электростанции, обслуживающие район Невского проспекта, располагались на баржах (рядом вода, не надо земли), стоявших на Мойке и Фонтанке.

Ограничение возможности расширения радиуса электроснабжения привело к тому, что удовлетворять спрос на электроэнергию со временем становилось все труднее. Так, в Петербурге и Москве в середине 90 – х годов возможности присоединения новой нагрузки к существующим станциям были исчерпаны, поэтому стали задумываться об изменении схем сети и даже рода тока.

На центральных электростанциях с ростом их мощности локомобили, применявшиеся в качестве первичных двигателей, постепенно вытеснялись стационарными машинами. Их мощность составляла 100 - 300 л.с. при небольшой скорости вращения 100 - 200 об/мин, что приводило к необходимости введения между машиной и генератором ременной или канатной передачи.

Основным топливом в котельных служил уголь, загрузка была ручной. Расход топлива при несовершенном способе сжигания, отсутствие экономайзера, подогрева воздуха и при плохой изоляции в 3 - 4 раза превышал расходы современных станций.

Рост потребностей в электроэнергии эффективно стимулировал повышение производительности и экономичности тепловых станций. Следует отметить решительный поворот от поршневых паровых машин к паровым турбинам.

В России первые паровые турбины были установлены в 1891 г. в Петербурге на Фонтанке.

В рассматриваемый период гидроэлектростанции строились редко в связи с трудностями передачи электроэнергии на большие расстояния.

Выше уже отмечался наиболее существенный недостаток электроснабжения постоянным током – слишком малая площадь района, которая может обслуживаться центральной электростанцией. Удаленность нагрузки не превышала нескольких сотен метров. Электростанции - капиталистические предприятия - стремились расширить круг потребителей своего товара - электрической энергии. Было найдено несколько путей увеличить радиус распределения энергии.

Первая идея, не получившая распространения, касалась понижения напряжения электрических ламп, подключавшихся в конце линии. Но расчеты показали, что при длине сети более 1.5 км экономически выгодней было построить новую электростанцию.

Другое решение, которое во многих случаях могло удовлетворить потребителей, состояло в изменении схемы сети: переход от двухпроводной сети к многопроводной, т.е. фактически повышение напряжения. Одним из таких решений была трехпроводная сеть (1882 г., Дж. Гопкинсон и независимо от него Т. Эдисон): генераторы на станциях соединялись последовательно, и от общей точки шел нейтральный или компенсационный провод. При этом обычные лампы сохранялись и включались между линейным и нейтральным проводами, а двигатели для сохранения симметрии нагрузки включались в линейные провода (на повышенное напряжение - 220 В). При несимметричной нагрузке в нейтральном проводе появлялся ток, но много меньше линейного, что позволяло уменьшить сечение нейтрального провода. Уменьшалось при этом и сечение линейных проводов (по сравнению с сечением проводов в двухпроводной системе). Объяснялось это тем, что при увеличении напряжения вдвое ток при той же мощности вдвое уменьшался, а потери, пропорциональные квадрату тока, снижались вчетверо. Практически это позволяло увеличить радиус электроснабжения до 1200 м и расход меди снижался почти вдвое. Трехпроводная система широко применялась в России и за рубежом до 20 – годов XX века.

Максимальный вариант многопроводных систем - пятипроводная сеть постоянного тока (В. Сименс), в которой применялись четыре последова­тельно включенных генератора и напряжение увеличивалось вчет­веро. Радиус электроснабжения возрастал до 1500 м. Однако сравнительно незначительное увеличение радиуса электроснабже­ния достигалось в этом случае за счет существенного усложнения се­ти, повышения напряжения до опасных пределов, усложнения регулирования равномерности нагрузки отдельных ветвей. Поэтому пятипроводная система не получила широкого применения.

Для реализации третьего пути увеличения радиуса электроснабжения необходимо было сооружать аккумуляторные подстанции. Они были в то время обязательным дополнением любой электростанции, так как покрывали пики нагрузки. Эти подстанции сооружались вблизи потребителей. На подобных подстанциях устанавливались аккумуляторные батареи в двухпроводных сетях постоянного тока.

Сети с аккумуляторными подстанциями получили небольшое распространение.

В последние два десятилетия XIX века было построено много электростанций постоянного тока, и они долгое время давали значительную долю общей выработки электроэнергии. Мощность их редко превышала 500 кВт, агрегаты обычно имели мощность до 100 кВт.

Все возможности увеличения радиуса электроснабжения при постоянном токе довольно быстро были исчерпаны. Многопроводные сети и аккумуляторные подстанции могли удовлетворять потребности малых и средних городов, но совершенно не отвечали нуждам крупного города.

В 80-х г. начинают сооружаться станции переменного тока, выгодность которых с точки зрения радиуса электроснабжения была бесспорной.

Первой постоянно действовавшей электростанцией переменного тока можно считать станцию Гровнерской галереи (Лондон). На ней, пущенной в эксплуатацию в 1884 г., были установлены два генератора переменного тока Сименса, которые через последовательно включенные трансформаторы Голяра и Гиббса работали на освещение галереи. Недостатки последовательного включения трансформаторов (трудность поддержания постоянства тока) были выявлены быстро, и в 1886 г. эта станция была реконструирована по проекту С.Ц. Ферранти. Генераторы Сименса были заменены машинами Ферранти, каждая мощностью 1000 кВт с напряжением на зажимах 2.5 кВ. Трансформаторы, изготовленные по проекту Ферранти, включались в цепь параллельно и служили для снижения напряжения в непосредственной близости от нагрузки.

Примером крупной гидростанции однофазного тока, питавшей осветительную нагрузку, может служить американская станция, построенная в 1889 г. на водопаде вблизи г. Портленда. Гидравлические двигатели приводили в действие 8 однофазных генераторов общей мощностью 720 кВт. Также на станции были установлены 11 генераторов, предназначенных специально для питания дуговых ламп (по 100 ламп на каждый генератор). Энергия передавалась на расстояние 14 миль.

Характерная особенность первых электростанций переменного тока – изолированная работа отдельных машин. Синхронизация генераторов еще не производилась, и от каждой машины шла отдельная цепь к потребителям. Легко понять, насколько неэкономичными были такие сети (расход меди и изоляторов).

В России крупнейшие станции однофазного тока были сооружены в конце 80-х начале 90-х годов (1887 г. - Одесса). В том же году началась эксплуатация электростанции в Царском Селе. Протяженность воздушных линий была 64 км. В 1890 г. станция была переведена на однофазный переменный ток напряжением 2 кВ. По свидетельствам современников Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.

Одной из крупнейших в России была и электростанция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в 1894 г. инженером Н.В. Смирновым. Ее мощность составляла 800 кВт и превосходила мощность любой существующей в то время станции постоянного тока.

Таким образом, опыт эксплуатации центральных станций и сетей однофазного тока показал преимущества переменного тока, но вместе с тем, как уже отмечалось, выявил ограниченность его применения. Однофазная система тормозила развитие элект­ропривода, усложняла его. Так, например, при подключении силовой нагрузки к сети Дептфордской станции приходилось дополнительно помешать на валу каждого синхронного одно­фазного двигателя еще разгонный коллекторный двигатель переменного тока. Легко понять, что такое усложнение элект­ропривода делало весьма сомнительной возможность его широкого применения.