5.6 Трансформатор и первые электростанции

Принципы трансформации напряжения электрического тока развивались долго – с 1830 до 1870 года. Первые примитивные преобразователи представляли собой индукционные приборы, преобразующие импульсы тока одного напряжения в импульсы тока другого напряжения. Первый такой прибор с железным сердечником был испытан М.Фарадеем в 1831 году. Но уже в конце 40-х годов появились индукционные катушки Якоби, Румкорфа и др. Они и сейчас используются в системах зажигания автомобильных моторов.

Но это были еще не трансформаторы, Период с 1870 года до середины 80-х годов характеризуется многочисленными опытами по применению индукционных катушек в цепях переменного тока. Это уже был трансформатор с разомкнутым сердечником. Первыми такими приборами были катушки Яблочкова, которая использовалась для поджига дуговых осветительных свечей.

Дальнейшее развитие трансформации переменного тока связано с именем лаборанта Московского университета И.Ф.Усагина. Он включил последовательно обмотки нескольких индукционных катушек, к вторичным обмоткам которых были подключены электропотребители. Применение переменного тока высокого напряжения стало менее опасным, так как к приемнику подводилось пониженное напряжение. Вот только коэффициент трансформации каждой катушки в отдельности в рассматриваемом случае равнялся единице.

Первая конструкция трансформатора с замкнутым сердечником была создана в Англии в 1884 году. братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Сердечник был набран из стальных полос или проволок, разделенных слоем изоляции. На сердечнике были размещены две обмотки с чередующимся расположением катушек.

Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения стала возможной после создания промышленного трансформатора (однофазного) с замкнутой магнитной системой. Название “трансформатор” было введено венгерским электротехником К.Циперновским в 1885 году. Первый промышленный выпуск трансформаторов кольцевого и броневого типов был налажен в Венгрии на заводе в Будапеште. Важным решением было помещение активной части трансформатора в сосуд, заполненный керосином или маслом.

Когда основные элементы техники переменного тока были разработаны (генераторы, трансформаторы, электродвигатели), активизировалась работа по передаче энергии на переменном токе в промышленных масштабах. Однако, такая работа была успешной, пока эта энергия использовалась большей частью для осветительной нагрузки. Однако вскоре появилась потребность в том, чтобы главным потребителем энергии становился электродвигатель. В эту пору двигатели постоянного тока обладали необходимыми преимуществами по сравнению с однофазными двигателями переменного тока (а были только синхронные, не обладающие самозапуском, и коллекторные).

В связи с этим строились электростанции, вырабатывавшие как переменный, так и постоянный ток. Сооружались соответствующие, независимые друг от друга, ЛЭП. Переменный ток использовался в основном для освещения, а постоянный – для электропривода. Это были так называемые “блок-станции”, питающие каждая своих потребителей. Их называли “домовыми”.

Электростанции, как предприятия по выработке электрической энергии, появились не сразу. В 70-х и 80-х годах электроэнергию вырабатывали в буквальном смысле рядом с ее потребителями по принципу генератор - потребитель. Это было простейшее решение. Но потом – возникла потребность и возможность подключения к одному генератору нескольких потребителей. Нередко эти потребители были разобщены территориально. Поэтому от первых «блок-станций» стали тянуть провода к удаленным потребителям.

Таким образом, постепенно стало нормой удаление электрического генератора от потребителя. Сформировалась идея централизованной выработки электроэнергии и передачи ее к потребителям по проводам.

Справедливости ради нужно сказать, что на пути такого решения дружно встали городские власти. Тянуть электрические провода по улицам считалось кощунственным по отношению к городскому пейзажу и опасным для горожан. Первичные двигатели доставляли много неудобств. Но необходимость централизованного электроснабжения преодолела субъективные преграды: в 1882 г. на Пирльстрит в Нью-Йорке была сооружена первая в мире централизованная электростанция. Здесь было установлено шесть генераторов Эдисона по 90 кВт каждый. Общая мощность электростанции – 500 кВт. Генераторы приводились в движение паровыми двигателями. Защита от токов короткого замыкания осуществлялась плавкими предохранителями. Магистральные ЛЭП были выполнены кабелями. Станция снабжала электроэнергией площадь в 2,5 км². Основная нагрузка была – освещение в виде ламп накаливания и свеч П. Яблочкова. Вскоре в Нью-Йорке было построено еще несколько таких электростанций.

Радиус электроснабжения определялся величиной допустимых потерь напряжения в электрической сети. Именно поэтому электростанции строились в центральной части города. Здесь было тесно. Поэтому оборудование электростанций приходилось размещать на нескольких этажах.

Первые отечественные электростанции были построены в Петербурге в 80-х годах ХIХ века. Они размещались на баржах по рекам Москве и Фонтанке. Удобно решались проблемы водоснабжения и земельной территории. От этих станций освещался Невский проспект. Позже – (в 1986 г.) были сооружены электростанции по 20квт у Казанского собора и на Инженерной площади.

В Москве первая электростанция была сооружена в 1888 г., и ее мощность составила 400 кВт. В качестве первичных двигателей использовались локомобили. Основным топливом в котлах служил уголь.

Возникли проблемы: передавать электроэнергию постоянного тока на большое расстояние не выгодно, поршневые паровые двигатели имели исключительно низкий к.п.д.

Увеличение дальности электропередачи достигалось применением аккумуляторных батарей. Они покрывали вечерние пики нагрузки. Использовалось параллельно-последовательное переключение аккумуляторов. Последовательно – заряжались от центральной станции при повышении напряжения, а параллельно – питали местную нагрузку.

В Москве в 1897 году аккумуляторная подстанция в Верхних торговых рядах (ныне ГУМ) находилась на расстоянии 1385м от Георгиевской центральной станции. От этой подстанции питалось около 2000 ламп накаливания. В связи с изложенным мощность электростанций постоянного тока почти никогда не превышала 500кВт.

В 80-х годах ХIХ века параллельно сооружаются электростанции переменного тока. Их выгодность для передачи энергии на большое расстояние была постоянной. Использовались трансформаторы для повышения и понижения напряжения. Мощность генераторов возросла до 1000 кВт. Напряжение на зажимах – 2,5 кВ.

Трансформаторы – только понижающие, в непосредственной близости от потребителя. Впервые эта задача была решена для электроснабжения Сити в Лондоне. Электростанция была построена на расстоянии 12 км. Однофазные генераторы переменного тока имели мощность до 100 л.с. при напряжении 10 кВ. У потребителя напряжение понижалось до 100 В, причем, были устроены промежуточные ТП .

В России первая электростанция переменного однофазного тока была построена в 1887 году в Одессе венгерской фирмой «Ганц и К⁰». Два синхронных генератора общей мощностью 160 кВт при напряжении 2 кВ и частоте 50 гц за 2,5 км снабжала электроэнергией Новый театр. Здесь на трансформаторной подстанции напряжение понижалось до 56 В (номинальное напряжение ламп накаливания!).

В том же году 1887 была сооружена Царско-сельская электростанция с протяженностью ЛЭП 64 км (2кВ).

Крупнейшая в России электростанция переменного тока была построена на Васильевском острове (1894 год). Мощность ее – 8000 квт (четыре машины по 250 л.с. каждая). При напряжении 2 кВ сечение проводов ЛЭП уменьшалось до 58 мм² вместо 400-600 мм² на постоянном токе. Преимущество переменного тока было бесспорно доказано.