Помоги проекту - поделись книгой:
4.59. Мандельштам Л.И. Полное собрание трудов. М.: Изд-во АН СССР, 1947.
4.60. Матханов П.Н. Основы электрических цепей. Линейные цепи. М.: Высшая школа, 1981.
4.61. Миллях А.Н., Шидловский А.И., Кузнецов А.Г. Схемы симметрирования однофазных нагрузок в трехфазных цепях. Киев: Наукова думка, 1973.
4.62. Методы расчета электрических полей / Н.Н. Миролюбов, М.В. Костенко, М.Л. Ле-винштейн, Н.И. Тиходеев. М., 1963.
4.63. Миронов В.Г. Кузовкин В.А., Казанцев Ю.А. Моделирование на ЭВМ режимов в нелинейных цепях. М.: Изд-во МЭИ, 1990.
4.64. Миронов В.Г., Кузовкин В.Г., Казанцев Ю.А. Машинный расчет характеристик аналоговых и дискретных цепей М.: Изд-во МЭИ, 1990.
4.65. Миткевич В.Ф. Физические основы электротехники. М.: Госиздат, 1928.
4.66. Миткевич В.Ф. Курс переменных токов. СПб.: Политехнический ин-т, 1907.
4.67. Миткевич В.Ф. Магнитный поток и его преобразование. М.: Изд-во АН СССР, 1946.
4.68. Миткевич В.Ф. Магнетизм и электричество. 1912.
4.69. Миткевич В.Ф. Физические основы электротехники, 1928.
4.70. Динамика непрерывных линейных систем с детерминированными и случайными параметрами / Ф.А. Михайлов, Е.Д. Теряев, В.П. Булеков и др. М.: Наука, 1971.
4.71. Нейман Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнетиках. Л.: Госэнергоиздат. 1949.
4.72. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. Л. — М.: Госэнергоиздат, 1948.
4.73. Электропередача постоянного тока как элемент энергетических систем / Л.Р. Нейман, С.Р. Глинтерник, А.В. Емельянов и др. М.-Л.: Энергия, 1962.
4.74. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Л., 1981.
4.75. Нетушил А.В., Поливанов К.М. Теория электромагнитного поля. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956.
4.76. Папалекси Н.Д. Собрание трудов. М.: Изд-во АН СССР, 1948.
4.77. Поливанов К.М. Развитие теоретической электротехники // Очерки по истории энергетической техники СССР. М.: Госэнергоиздат, 1956. Вып. 19.
4.78. Поливанов К.М. Электростатика. М., 1947.
4.79. Поливанов К.М. Теоретические основы электротехники. М.: Энергия, 1972.
4.80. Поливанов К.М. Электродинамика вещественных сред. М.: Энергоатомиздат, 1988.
4.81. Попов А.С. Прибор для обнаружения и регистрации электрических колебаний в атмосфере // Электричество. 1896. № 13–14.
4.82. Поссе А.В. Схемы и режимы электропередач постоянного тока. Л.: Энергия, 1973.
4.83. Пухов Г.Е. Дифференциальные преобразования функций и уравнений. Киев: Наукова думка, 1980.
4.84. Ракитский Ю.В., Устинов СМ., Черноруцкий И.Г. Численные методы решения жестких систем. М.: Наука, 1979.
4.85. Rohrer R. Circuit Theory: An Introduction to the State Variable Approach to Network Theory. New York.: Mc.Graw Hill Book Company, 1969.
4.86. Рюденберг Р. Эксплуатационные режимы электроэнергетических систем. Л.: Энергия, 1981.
4.87. Сигорский В.П., Петренко А.И. Алгоритмы анализа электронных схем. М.: Сов. радио, 1976.
4.88. Синицкий Л.А. Элементы качественной теории нелинейных электрических цепей. Львов: Вища школа, 1975.
4.89. Сиротинский Л.И. Волновые процессы и внутренние перенапряжения в электрических системах. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.
4.90. Смайт В. Электростатика и электродинамика М.: Изд-во иностр. лит., 1954.
4.91. Смуров А.А. Электротехника высокого напряжения и передача электрической энергии. М.-Л.: Гостехиздат, 1932.
4.92. Steinmetz C.P. Theorie und Rerechnung der Wechselstrom erscheinung. Berlin, 1900.
4.93. Стокер Дж. Нелинейные колебания в электрических системах. М.: Изд-во иностр. лит., 1952.
4.94. Столетов А.Г. Собрания сочинений. Т. 1. М.-Л.: Гостехиздат, 1948.
4.95. Стреттон Д.А. Теория электромагнетизма. Гостехиздат, 1948.
4.96. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.-Л.: Гостехиздат, 1932.
4.97. Тафт В.А. Вопросы теории электрических цепей с переменными параметрами и синтеза импульсных и цифровых автоматических регуляторов. М.: Изд-во АН СССР, 1960.
4.98. Tellegen B.D.H. A General Network Theorem with Applications // Phillips Res. Rept. 1952. №7.
4.99. Толстое Ю.Г. Теория электрических цепей. М.: Высшая школа, 1971.
4.100. Тозони О.В. Метод вторичных источников в электротехнике. М.: Энергия, 1975.
4.101. Трохименко Я.К. Метод обобщенных чисел и анализ линейных цепей. М.: Сов. радио, 1972.
4.102. Умов Н.А. Уравнения движения энергии. Одесса, 1874, М., 1874.
4.103. Френкель Я.И. Электродинамика. М.-Л.: ОНТИ, 1935.
4.104. Хаяси Т. Нелинейные колебания в физических системах. М.: Мир, 1988.
4.105. Heavisite О. Electromagnetic Theory. London, 1899.
4.106. Цыпкин Я.З. Теория импульсных систем. М.: Физматгиз, 1958.
4.107. Чуа Л., Пен-Мин Лин. Анализ электронных схем. М.: Энергия, 1980.
4.108. Шакиров М.А. Преобразование и диакоптика электрических цепей. Л.: Изд-во Ленингр. гос. университета, 1980.
4.109. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г, Николаенко В.Г. Оптимизация несимметричных режимов систем электроснабжения. Киев: Hayкова думка, 1987.
4.110. Шимони К. Теоретическая электротехника. М.: Мир, 1964.
4.111. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в 4-х т. М.: Наука, 1965.
Глава 5.
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ
5.1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА В КОНЦЕ XIX И В XX ВЕКЕ
Электрификация ведет свой отсчет времени с 1891 г., когда состоялось испытание трехфазной системы на Международной электротехнической выставке в г. Франкфурте-на-Майне (Германия) [5.1].
После многочисленных дискуссий о выборе рода тока для электропередачи было решено предложить фирме АЭГ, в которой в то время работал М.О. Доливо-Добровольский, передать посредством электричества энергию водопада на р. Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт на расстояние 170 км. В Лауфене для этой цели выделялась турбина, дававшая полезную мощность 300 л.с. До этого времени дальность электропередачи не превышала 15 км, и некоторые компетентные специалисты полагали, что КПД установки может оказаться ниже 50%.
М.О. Доливо-Добровольскому предстояло в течение года спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и трехфазные трансформаторы мощностью 100–150 кВ∙А. Изготовление генератора было поручено главному инженеру швейцарского завода «Эрликон» Ч. Броуну, который сотрудничал с М.О. Доливо-Добровольским в области конструирования многофазных машин. Срок был чрезвычайно коротким, а задачи — весьма ответственными: во-первых, новая система тока должна была подвергнуться испытанию перед лицом представителей всего мира; во-вторых, масштабы испытания были невиданными. Двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не строились.
В августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп накаливания, питаемых током от Лауфенской гидроэлектростанции (ГЭС); 12 сентября того же года двигатель М.О. Доливо-Добровольского привел в действие декоративный водопад. Налицо была своеобразная энергетическая цепь: небольшой искусственный водопад приводился в действие энергией естественного водопада, удаленного от первого на 170 км.
Что же представляла собой эта первая трехфазная линия?
На гидроэлектростанции в Лауфене энергия, развиваемая турбиной, передавалась через коническую зубчатую передачу на вал трехфазного синхронного генератора (мощность 230 кВ∙А, частота вращения 150 об/мин, напряжение 95 В, соединение обмоток звездой). В Лауфене и Франкфурте находилось по три трехфазных трансформатора с магнитопроводом призматической формы. Трансформаторы были погружены в баки, наполненные маслом.
Трехпроводная линия была выполнена на деревянных опорах со средним пролетом около 60 м. Медный провод диаметром 4 мм крепился на штыревых фарфорово-масляных изоляторах. Интересной деталью линии являлась установка плавких предохранителей со стороны высокого напряжения: в начале линии в разрыв каждого провода был включен участок длиной 2,5 м, состоявший из двух медных проволок диаметром 0,15 мм каждая. Для отключения линии во Франкфурте посредством простого приспособления устраивалось трехфазное короткое замыкание, плавкие вставки перегорали, турбина начинала развивать большую скорость, и машинист, заметив это, останавливал ее.
На выставочной площадке во Франкфурте был установлен понижающий трансформатор, от которого при напряжении 65 В питались 1000 ламп накаливания, расположенных на огромном щите. Здесь же был установлен трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Доброволь-ского, приводивший в действие гидравлический насос мощностью около 100 л.с. Одновременно с этим мощным двигателем М.О. Доливо-Добровольский экспонировал асинхронный трехфазный двигатель мощностью около 100 Вт с вентилятором на его валу и двигатель мощностью 1,5 кВт с сидящим на его валу генератором постоянного тока.
Перед пуском электропередачи возникли неожиданные затруднения. Дело в том, что линия пересекала территории четырех германских земель, и местные власти очень опасались высокого напряжения. Люди испытывали страх перед деревянными столбами с табличками, на которых был изображен череп. Людей смущало и то, что оборудование на электростанции было заземлено, как заземлена была и нейтраль трансформатора. В связи с этим очень опасались обрыва провода и падения его на землю, хотя было разъяснено, что все опасности предусмотрены и линия надежно защищена. М.О. Доливо-Добровольскому пришлось провести опасный, но убедительный эксперимент. На границе двух земель собрались представители местных властей. Включили линию под напряжение и на глазах у присутствующих искусственным путем оборвали провод, который с яркой вспышкой упал на рельсы железной дороги. М.О. Доливо-Добровольский сейчас же подошел и поднял провод голыми руками — настолько он был уверен, что спроектированная им защита сработает надежно.
25 августа 1891 г. официальный пуск линии состоялся. Испытания электропередачи, которые проводились Международной комиссией, дали следующие результаты: минимальный КПД электропередачи (отношение мощности на вторичных зажимах трансформатора во Франкфурте к мощности на валу турбины в Лауфене) 68,5, максимальный 75,2%; линейное напряжение при испытаниях около 15 кВ, а при более высоком напряжении — 25,1 кВ максимальный КПД составил 78,9%.
Результаты испытаний электропередачи Лауфен — Франкфурт не только продемонстрировали возможности электрической передачи энергии, но и поставили точку в давнем споре. В борьбе «постоянный — переменный ток» победил переменный.
Создание трехфазной системы — важнейший этап в развитии электротехники и электрификации. После закрытия Франкфуртской выставки электростанция в Лауфене перешла в собственность г. Хейльбронна, расположенного в 12 км от Лауфена и была пущена в эксплуатацию в начале 1892 г. На ней работали два одинаковых трехфазных синхронных генератора. Напряжение (фазное) при помощи трансформаторов повышалось с 50 до 5000 В. Электроэнергия использовалась для питания всей городской осветительной сети, а также ряда небольших заводов и мастерских. Понижающие трансформаторы устанавливались непосредственно у потребителей.
В том же 1892 г. была сдана в эксплуатацию линия Бюлах — Эрликон (Швейцария). У водопада в г. Бюлахе построили гидроэлектростанцию с тремя трехфазными генераторами мощностью 150 кВт каждый. Электроэнергия передавалась на расстояние 23 км для электроснабжения завода. Вслед за этими первыми установками началось довольно быстрое строительство ряда электростанций, причем наибольшее их число находилось в Германии.
Известные трудности в развитии электрификации на базе трехфазных систем возникали в связи с тем, что уже раньше в городах были построены станции постоянного или однофазного тока, а иногда и двухфазного. Владельцы и акционеры этих станций и электрических сетей всячески препятствовали внедрению трехфазной системы. Некоторым выходом явилось сочетание трехфазной электропередачи с распределением энергии на постоянном токе.
В Америке первая трехфазная установка была сооружена в конце 1893 г. в Калифорнии. Гидроэлектростанция располагала двумя генераторами мощностью по 250 кВт. От электростанции провели две линии генераторного напряжения (2500 В). Первая из них длиной 12 км поставляла энергию для осветительных целей, а вторая длиной 7,5 км предназначалась для питания трехфазного асинхронного двигателя мощностью 150 кВт.
Темпы внедрения трехфазной системы в Америке вначале были заметно ниже, чем в Европе. Это объясняется тем, что одна из крупнейших американских фирм — компания «Вестингауз» настойчиво пыталась развернуть работы по сооружению электростанций и электрических сетей по системе Теслы. Высшим достижением двухфазной системы считалась грандиозная по тому времени электростанция на Ниагарском водопаде, пущенная в эксплуатацию в 1896 г. На ней были установлены три двухфазных генератора по 5000 л.с. каждый с напряжением 2400 В. Вскоре началось расширение станции, и к началу XX столетия число агрегатов было увеличено до восьми, а общая мощность возросла до 40 000 л.с.
Американская фирма «Дженерал электрик», основной оппонент фирмы «Вестингауз», быстро переориентировалась и в противовес конкурирующей фирме развила бурную деятельность по сооружению трехфазных установок. Фирма «Вестингауз» проиграла: Ниагарская гидроэлектростанция со временем была переоборудована в трехфазную.
Для переходного периода в любой области техники характерны попытки комбинирования устаревающих и новых технических решений. Так, в течение почти двух десятилетий начиная с 1891 г. делались попытки «примирить» трехфазные системы с другими системами. В эти годы существовали электростанции, на которых одновременно работали генераторы постоянного, переменного однофазного тока, двухфазные и трехфазные или любая их комбинация. Напряжения и частоты были различными, потребители питались по раздельным линиям. Попытки спасти устаревающие системы, а вместе с ними и освоенное заводами электрооборудование, приводили к созданию комбинированных систем.
Наиболее известной из комбинированных систем является схема, предложенная в 1894 г. Скоттом. В основе этой схемы лежит так называемый «трансформатор Скотта», предназначенный для взаимного преобразования токов двухфазной и трехфазной систем.
Однако судьба комбинированных систем, равно и систем электроснабжения постоянным и однофазным переменным токами, была предрешена, и уже с 1901–1905 гг. сооружаются трехфазные электростанции, которые вначале в основном были станциями фабрично-заводского типа.
Трехфазная техника позволяла строить крупные электростанции на месте добычи топлива, на водопаде или на подходящей реке, а вырабатываемую энергию транспортировать по линиям электропередачи в промышленные районы и города. Такие электростанции стали называть районными.
Первые районные электростанции были построены во второй половине 90-х годов XIX в., а в следующем столетии они составили основу развития электроэнергетики. Первой районной электростанцией считают Ниагарскую ГЭС.
Широкий размах строительство районных электростанций приобрело с начала XX в. Этому способствовал рост потребления электроэнергии, связанный с внедрением в промышленность электропривода, развитием электрического транспорта и электрического освещения городов.
Электрические станции становились крупными промышленными предприятиями по выработке электроэнергии; сети разных станций объединялись, создавались первые энергетические системы. Под энергетической системой стали понимать совокупность электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии.
До появления районных электростанций электрических систем практически не было. Электростанции работали изолированно, каждая имела свою нагрузку. При изолированной работе станций не было большой необходимости устанавливать стандартные частоты и напряжения, и последние принимались в зависимости от конкретных условий данной станции. Последствия этого еще долго сказывались в некоторых странах, например, в США и Японии приходилось подключать на параллельную работу электростанции, работавшие при различных частотах (50 и 60 Гц). Потребность объединить работу нескольких электростанций в общую сеть стала проявляться уже в 90-х годах XIX в. Было выяснено, что при совместной работе уменьшается необходимый резерв на каждой станции в отдельности, появляется возможность ремонта оборудования без отключения основных потребителей, создаются условия для выравнивания графика нагрузки базисных станций, для более эффективного использования энергетических ресурсов.
Первое известное объединение двух трехфазных электростанций было осуществлено в 1892 г. в Швейцарии. Две небольшие электростанции — в г. Глэдфельдене (120 кВ∙А) и г. Гохфельдене (360 кВ∙А) — соединялись двухкилометровой линией напряжением 5 кВ и питали распределительную сеть завода фирмы «Эрликон» по линии передачи протяженностью 24 км при напряжении 13 кВ. Возбуждение генераторов первой станции регулировалось со щита управления второй.
Русские электротехники сумели быстро оценить достоинства трехфазной системы. Уже в январе 1892 г. на 4-й Петербургской электротехнической выставке демонстрировались две трехфазные машины системы Доливо-Добровольского мощностью по 15 кВт.
В России первым предприятием с трехфазным электроснабжением был Новороссийский элеватор. Он представлял собой грандиозное сооружение, и задача распределения энергии по его этажам и различным зданиям могла быть решена наилучшим образом только с помощью электричества. Строитель элеватора инженер А.Н. Щенснович решил применить только что ставшую известной трехфазную систему. Летом 1892 г. швейцарскому заводу фирмы «Броун-Бовери» были заказаны чертежи трехфазных машин. В следующем 1893 г. элеватор был электрифицирован. Интересно, что все машины по разработанным за границей проектам изготовлялись в собственных мастерских элеватора.
На электростанции, построенной рядом с элеватором, были установлены четыре синхронных генератора мощностью 300 кВ∙А каждый. Таким образом, общая мощность электростанции составляла 1200 кВ∙А, т.е. это была в то время самая мощная в мире трехфазная электростанция. В помещениях элеватора работали трехфазные двигатели мощностью 3,5–15 кВт, которые приводили в действие различные машины и механизмы. Часть энергии использовалась для освещения.
Представляет интерес электрификация Охтинского порохового завода в Петербурге (середина 90-х годов). Ее организаторы — В.Н. Чиколев и Р.Э. Классон (1868–1926 гг.) осуществили передачу и распределение энергии с помощью трехфазных цепей. На гидростанции работали два генератора мощностью 120 и 175 кВт. Оба генератора могли работать независимо друг от друга, но могли включаться также и на параллельную работу. Наибольшая длина передачи составляла 2,66 км. Нагрузку составляли девять электродвигателей, из которых один имел мощность 65 л.с., три — по 20 л.с. и пять — по 10 л.с. Кроме того, два двигателя по 1,5 л.с. были установлены на гидростанции для привода щитовых затворов. Часть энергии для питания дуговых ламп преобразовывались в энергию постоянного тока. Охтинская установка представляла собой в то время наиболее прогрессивное инженерное решение задачи централизованного электроснабжения промышленного предприятия.
Первой в России электропередачей значительной протяженности была установка на Павловском прииске Ленского золотопромышленного района в Сибири. Электростанция была построена в 1896 г. на р. Ныгра. Здесь были установлены трехфазный генератор (98 кВт, 600 об/мин, 140 В) и трансформатор соответствующей мощности, повышающий напряжение до 10 кВ. Электроэнергия передавалась на прииск, удаленный от станции на 21 км. На прииске для привода водоотливных устройств использовались трехфазные асинхронные двигатели мощностью 6,5–25 л.с. (напряжение 260 В). Так постепенно расширялось в России строительство трехфазных электростанций.
С 1897 г. началась электрификация крупных городов: Москвы, Петербурга, Самары, Киева, Риги, Харькова и др.
Логическим завершением огромного вклада в развитие электротехники, сделанного М.О. Доливо-Добровольским, явилось его прозорливое утверждение в докладе «О границах применения переменных токов для передачи энергии на большие расстояния». В те годы, когда во всем мире широко применялись мощные трехфазные электропередачи высокого напряжения (до 150 кВ), он на основе технико-экономических расчетов пришел к выводу о том, что при передаче энергии на несколько сотен километров при напряжении свыше 200 кВ целесообразно генерирование и распределение энергии осуществлять переменным током, а передачу — постоянным высокого напряжения. Линия постоянного тока в начале и в конце должна подсоединяться к преобразовательным подстанциям, на которых устанавливаются ртутные выпрямители. С современной точки зрения параметры, указанные М.О. Доливо-Добровольским, были естественно, заниженными. Ему в то время, конечно, был неизвестен, например, такой факт, как устойчивость электропередачи переменного тока. В наши дни его предсказание оправдалось, и во многих странах успешно действуют линии электропередачи постоянного тока сверхвысокого напряжения.
В развитии электроэнергетики можно выделить следующие основные этапы:
соединение электростанций на параллельную работу и образование первых энергосистем;
образование территориальных объединений энергосистем (ОЭС);
создание Единой энергетической системы (ЕЭС);
функционирование электроэнергетики после образования независимых государств на территории бывшего СССР.
Основа создания энергетических систем в нашей стране была заложена Государственным планом электрификации России (ГОЭЛРО), утвержденным в 1920 г. Этот план предусматривал централизацию электроснабжения путем строительства крупных электростанций и электрических сетей с последовательным объединением их в энергетические системы. Планом ГОЭЛРО предусматривалось также всемерное развитие отечественной электротехнической промышленности, освобождение ее от засилья иностранного капитала, удельный вес которого составлял в ней в начале 20-х годов 70%. Для решения всех вопросов электротехники и подготовки высококвалифицированных специалистов в октябре 1921 г. был создан Государственный экспериментальный электротехнический институт, переименованный впоследствии во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ).
Ведущие члены комиссии ГОЭЛРО (руководитель Г.М. Кржижановский) возглавили проектирование и строительство электростанций и линий электропередачи. Шатурская Государственная районная электростанция (ГРЭС) мощностью 48 тыс. кВт спроектирована и построена (1925 г.) под руководством А.В. Винтера; Волховская (66 тыс. кВт, 1926 г.) и Нижнесвирская ГЭС (90 тыс. кВт, 1927–1933 гг.) — под руководством Г. О. Графтио; Днепровская ГЭС (580 тыс. кВт, 1927–1932 гг.) — под руководством И.Г. Александрова (проект) и А.В. Винтера (строительство). Днепровская ГЭС была в то время наиболее крупной в Европе [5.2; 5.3].
Первые энергосистемы — Московская и Петроградская — были созданы в 1921 г. В 1922 г. в Московской энергосистеме вошла в строй первая линия электропередачи напряжением ПО кВ Каширская ГРЭС — Москва длиной 120 км (строители линии Н.И. Сушкин и А.А. Глазунов), а в 1933 г. была пущена линия электропередачи напряжением 220 кВ Нижнесвирская ГЭС — Ленинград. (Первая линия 220 кВ во Франции была построена всего на полгода раньше.) Были образованы новые энергосистемы: Донбасская (1926 г.), Ивановская (1928 г.), Ростовская (1929 г.) и др. [5.4–5.6].
Поделиться книгой: