5. Зарождение и начальные этапы развития

электроэнергетики

Электроэнергетика зарождалась и развивалась в направлении решения проблем производства и передачи электрической энергии.

Длительное время электрическая энергия не могла получить широкого практического применения из-за отсутствия экономичных генераторов. Поэтому исторически вначале наибольшее распространение получили энергетически малозатратные области техники, использующие на практике электричество.

Маломощные сигналы и виды применения электричества, используемые для передачи сигналов в телеграфии, электрическом взрывании мин, дистанционном управлении. Первым электротехническим устройством, предназначенным для широкого практического использования, был электрический телеграф. Первый практически пригодный электромагнитный телеграф был разработан в 1828 - 1832 гг. русским учёным Павлом Львовичем Шилингом (1786 – 1837 гг.). Опыты по использованию электромагнитного телеграфа способствовали возникновению идеи о возможности передачи по проводам более значительных количеств электроэнергии.

В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой начинается история передачи значительных количеств электрической энергии. На этой выставке французский электрик Ипполит Фотен (1833- 1910 гг.), демонстрируя обратимость электрических машин, соединил генератор и двигатель кабелем длиной около одного километра. Этим опытом была продемонстрирована возможность передачи электроэнергии на расстояние.

В дальнейшем исследования учёных были направлены на уменьшение потерь в линиях электропередачи, которые зависят от значения напряжения, удельного сопротивления провода и его сечения. Снижение удельного сопротивления проводов практически неосуществимо, так как медь, ставшая основным материалом для изготовления проводов, имеет при температуре окружающей среды малое удельное сопротивление. Поэтому дальнейшее развитие линий электропередач пошло по пути повышения КПД передачи, благодаря увеличению сечения проводов или повышения напряжения [3].

В 1874 г. русский военный инженер Фёдор Аполлонович Пироцкий (1845 – 1898 гг.) пришел к выводу об экономической целесообразности производства электрической энергии в тех местах, где она может быть получена с минимальными затратами благодаря наличию дешёвого топлива или гидравлической энергии и передачи её по электрической линии к месту потребления. Однако электростанции появились не сразу. В 1870 - 1880 гг. места производства электроэнергии не были отделены от места её потребления.

Впервые электростанции малой мощности были построены в Париже для освещения улицы Оперы [3]. В России одной из первых появилась электростанция для освещения Литейного моста в Петербурге, созданная в 1879 г. при участии Павла Николаевича Яблочкова (1847 - 1894 гг.), –создателя «электрической свечи», вызвавшей бурное развитие многих новых отраслей электротехники.

Идея централизованного производства электрической энергии была экономически оправданной и соответствовала тенденции концентрации промышленного производства, поэтому уже к средине 1880-х годов появились мощные центральные электростанции. В этот период времени массовыми потребителями энергии являлись источники света, поэтому первые центральные электростанции проектировались в основном для питания осветительной нагрузки, имели мощность от 200 до 500 кВт и вырабатывали постоянный ток напряжением 65 – 110 В.

При проектировании первых электростанций проявились проблемы, которые были обусловлены применением техники постоянного тока. Целесообразный радиус электроснабжения определялся потерями напряжения в электрической сети, которые были тем меньше, чем выше напряжение. Были предприняты различные способы увеличения радиуса электроснабжения, однако возможности при использовании постоянного тока были быстро исчерпаны. Реально достигнутый радиус электроснабжения для линий электропередач на постоянном токе в этот период времени не превышал 1,5 км.

По мере укрупнения промышленных предприятий и увеличения их территориальной протяжённости становилось более заметно неудобство ограниченных возможностей передачи электрической энергии на расстояние постоянным током. Возникший кризис постоянного тока М.О. Доливо-Добровольский охарактеризовал так: «Постоянный ток хорошо подходит для любых применений. Наряду с освещением применялись электродвигатели с отличными характеристиками, имелась возможность аккумулирования, химического использования и получения тепла. Благодаря начавшемуся подъёму электротехники самые смелые мечты стали возможными в ближайшее время. Но было одно препятствие, к сожалению, труднопреодолимое, которое угрожало всему прекрасному развитию. Это необходимость передачи больших количеств электроэнергии на большое расстояние, с тем чтобы распределить её в отдалённых районах …» [13].

Трудности, связанные с передачей электроэнергии на постоянном токе, направили учёных на разработку теории и техники переменного тока. Когда основные устройства техники переменного тока (генераторы и трансформаторы) были разработаны, начались попытки осуществить промышленную передачу электроэнергии на переменном токе.

В 1883 г. Люсьен Голяр (1850 - 1888 гг.) осуществил передачу мощности около 15 кВ·А на расстояние 23 км, используемой для освещения Лондонского метрополитена. В этом проекте трансформаторы повышали напряжение в линии передачи до 1,5 кВ. В следующем году на Туринской выставке Л. Голяр осуществил передачу при напряжении 2 кВ мощности около 30 кВ·А на расстояние 40 км.

В 1880 –х годах в разных странах начинают сооружаться электростанции переменного тока, выгодность которых для увеличения радиуса электроснабжения была бесспорной.

Первая в мире электростанция общественного пользования была построена в 1882 г. в Нью–Йорке под руководством выдающегося американского электротехника-изобретателя Томаса Алва Эдисона (1847 – 1931 гг.). В машинном зале этой электростанции было расположено шесть генераторов мощностью около 90 кВт каждый, которые обеспечивали электроэнергией район площадью 2,5 км².

В России первая центральная электростанция была построена в в 1887 г. венгерской фирмой « Ганц и К^о» в г. Одессе. Основным потребителем энергии была однофазная система электрического освещения нового театра. Эта электростанция имела четыре водотурбиных котла общей производительностью 5 т пара в час, а также два синхронных генератора общей мощностью 160 кВт с выходным напряжением 2 кВ при частоте 50 Гц.

Примером крупной гидроэлектростанции, питавшей осветительную нагрузку в однофазной цепи, может служить станция, построенная в 1889 г. на водопаде вблизи г. Портленда (США). На этой станции были установлены восемь однофазных генераторов мощностью 720 кВт. Кроме этого, на этой электростанции были установлены 11 генераторов, предназначенных специально для питания 1100 дуговых ламп. Электроэнергия этой станции передавалась на расстояние 14 миль в г. Портленд.

Характерная особенность первых электростанций переменного тока заключалась в изолированной работе отдельных электрических машин. Синхронизация генераторов не производилась, и от каждой машины шла отдельная линия однофазного электроснабжения к потребителям. Поэтому электрические сети были очень дорогими, так как на их сооружение расходовалось много меди и большое количество изоляторов.

Опыт эксплуатации первых центральных электростанций и однофазных сетей показал преимущества переменного тока, но вместе с тем выявил ограниченность их применения. Однофазная система тормозила развитие электропривода. Поэтому возникло противоречие не менее серьёзное, чем ранее при передаче электроэнергии на постоянном токе. Однофазные электродвигатели переменного тока имели совершенно неприемлемые для практики характеристики. Однофазные синхронные электродвигатели не имели пускового момента, а коллекторные двигатели пускались с большим трудом из-за тяжёлых условий коммутации.

В конце XIX в., а исходя из потребностей промышленного производства развитие электротехники должно было пойти в направлении комплексного решения задач электроснабжения, электромеханики и электропривода благодаря использованию многофазных систем переменного тока.