Помоги проекту - поделись книгой:
Дальнейший прогресс электрического освещения был связан с изобретением лампы накаливания, которая оказалась более удобным источником света, имеющим лучшие экономические и световые показатели.
В 1870–1875 гг. над созданием лампы накаливания работал русский отставной офицер Александр Николаевич Лодыгин (1847–1923 гг.) [3.2]. Он решил построить летательный аппарат тяжелее воздуха, приводящийся в движение электричеством («электролет») [1.6; 2.19; 3.2]. Вполне естественно, что освещаться этот аппарат должен был электричеством. Дуговая лампа по разным соображениям не подошла, и А.Н. Лодыгин стал конструировать лампу накаливания с тонким угольным стерженьком, заключенным в стеклянном баллоне (рис. 3.3). Стремясь увеличить время горения, А.Н. Лодыгин предложил устанавливать несколько угольных стерженьков, расположенных так, чтобы при сгорании одного автоматически загорался следующий.
Первая публичная демонстрация ламп А.Н. Лодыгина состоялась в 1870 г., а в 1874 г. он получил «русскую привилегию» (авторское свидетельство) на свою лампу. Затем он запатентовал свое изобретение в нескольких странах Западной Европы. Постепенно он усовершенствовал лампы. Первые лампы работали 30–40 мин, но когда он применил вакуумные колбы, срок службы ламп увеличился до нескольких сотен часов.
Больше всего известности, почестей и славы за электрическую лампу выпало на долю Т.А. Эдисона. Но Т.А. Эдисон не изобрел лампу. Он сделал другое: разработал во всех деталях систему электрического освещения и систему централизованного электроснабжения [1.6; 3.3].
В 1879 г. Т.А. Эдисон заинтересовался проблемой электрического освещения. К этому времени он был уже известен как талантливый телеграфист и изобретатель автоматического счетчика голосов, автор усовершенствований в области многократной телеграфии и телефонного аппарата Белла, изобретатель фонографа.
Есть достаточно убедительные сведения о том, что Т.А. Эдисон хорошо знал изобретения своих предшественников в области электрического освещения посредством ламп накаливания, в том числе и работы А.Н. Лодыгина. Он находился также под впечатлением работ П.Н. Яблочкова. Впрочем, сам Т.А. Эдисон любил повторять, что всегда, когда он хотел сделать что-то новое, он тщательно изучал все, что было сделано по данному предмету до него.
Эдисон сразу поставил перед собой две задачи: 1) лампа должна создавать умеренную освещенность и 2) каждая лампа должна гореть совершенно независимо от других. Так он пришел к выводу о необходимости иметь нить высокого сопротивления, что позволит включать лампы параллельно (а не последовательно, как до этого поступали с любыми электрическими лампами).
12 апреля 1879 г. Т.А. Эдисон получил первый патент на лампу с платиновой спиралью высокого сопротивления, а затем в январе 1880 г. на лампу с угольными нитями. Он разработал систему откачки баллонов, технологию крепления вводов и угольной нити, и в январе 1880 г. устроил публичную демонстрацию ламп в Менло-Парке — его научном центре близ Нью-Йорка.
Для того чтобы система освещения стала коммерческой, Т.А. Эдисон должен был придумать множество устройств и элементов: цоколь и патрон (рис. 3.4), поворотный выключатель, плавкие предохранители, изолированные провода, крепящиеся на роликах, счетчик электрической энергии. В 1881 г. на Первой Всемирной выставке в Париже лампы Т.А. Эдисона вызвали всеобщий восторг, а сам изобретатель был удостоен высшей награды. В 1882 г. Т.А. Эдисон построил в Нью-Йорке на Пирльстрит первую центральную электростанцию. Т.А. Эдисон превратил электрическую энергию в товар, продаваемый всем желающим, а электрическую установку — в систему централизованного электроснабжения. Это был первый в истории электротехники пример комплексного решения крупной проблемы, оказавший огромное влияние на развитие материальной и общей культуры человечества.
Уже в 80-е годы XIX в. начинается быстрое развитие электрического освещения, все более расширяющееся массовое производство ламп накаливания, вызвавшее дальнейшее развитие электромашиностроительной промышленности, электроприборостроения, электроизоляционной техники и совершенствование способов производства и распределения электрической энергии.
3.2. ИЗОБРЕТЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА
Восьмидесятые годы XIX в. вошли в историю электротехники под названием периода «трансформаторных битв». Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов в пользу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками систем постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния.
Первым простейшим трансформатором с разомкнутым магнитопроводом была индукционная катушка. Ее изобретение в 30–40-х годах XIX в. связано с именами ряда ученых и изобретателей, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803–1877 гг.), создавший в 1848 г. более совершенную конструкцию, и его именем впоследствии стали называть индукционную катушку. Такие катушки предназначались для получения искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной цепи. Впервые катушку Г. Румкорфа применил для дистанционного взрывания мин Б.С. Якоби. В последней трети XIX в. индукционные катушки получили широкое применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Роль индукционной катушки, превратившейся в аппарат, названный позднее трансформатором, как средства электрического разделения цепей переменного тока, отчетливо осознал П.Н. Яблочков [1.6; 2.15; 3.1].
Даже самим фактом патентования системы «дробления света» во многих странах он как бы подчеркивал важность нового предложения. Во французском патенте № 115793 от 30 ноября 1876 г. он писал: «Предметом этого изобретения является распределение токов в целях производства электрического света, позволяющее получить, пользуясь цепью, питаемой одним единственным источником электричества, неопределенное число источников света…». И как бы отмежевываясь от привычных схем индукционных катушек, он указывает: «Если я применяю … электрический источник переменного тока, общее расположение остается неизменным, но прерыватель становится ненужным …».
Система «дробления света» Яблочкова широко демонстрировалась два раза: на Парижской Международной электротехнической выставке в 1881 г. и на Второй Петербургской электротехнической выставке в 1882 г.[3] (где всю систему смонтировал и экспонировал препаратор Московского университета Иван Филиппович Усагин (1855–1919 гг.). Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, а стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматывались обмотки. На этой же выставке И.Ф. Усагин впервые демонстрировал схему включения во вторичные обмотки индукционных катушек кроме свечей и других приемников: электродвигателя, проволочной нагревательной спирали, дуговой лампы с регулятором. Все эти приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу. Этим экспериментом И.Ф. Усагин убедительно доказал универсальность применения переменного тока.
В начале 80-х годов становилось все яснее, что система электроснабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта эксплуатации дуговых источников света было установлено оптимальное напряжение 110 В. Радиус электроснабжения не превышал несколько сотен метров. Попытки расширить границы района электроснабжения привели к рождению так называемой трехпроводной системы постоянного тока. Но основным направлением развития электроэнергетики уже в 80-х годах становится система переменного тока.
Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения электроэнергии явилась система распределения электричества для производства света и так называемой двигательной силы, запатентованная во Франции в 1882 г. английским электротехником Дж.Д. Голяром (1850–1888 гг.) и французским электротехником Люстеном Гиббсом (умер в 1912 г.). Эти трансформаторы предназначались уже не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения, т.е. имели коэффициент трансформации, отличный от единицы. Общий вид «вторичного генератора» (как его называли) изображен на рис. 3.5. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичные обмотки катушек были секционированы, и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Заслуживают внимания выдвижные сердечники
Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитный сердечник, их первичные обмотки включаются параллельно. Но для схемы «дробления» энергии, предложенной П.Н. Яблочковым, трансформаторы с разомкнутым сердечником вполне удовлетворяли техническим требованиям. При последовательном соединении первичных обмоток включение и выключение одних потребителей не оказывало существенного влияния на режим работы других. При параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутыми сердечниками становилось технически неоправданным. Поэтому понятно стремление сконструировать трансформаторы с замкнутой магнитной системой, которые обладают значительно лучшими характеристиками (меньший намагничивающий ток, а следовательно, меньшие потери и больший КПД).
Первые трансформаторы с замкнутым сердечником были созданы в Англии в 1884 г. братьями Джоном и Эдвардом Гопкинсонами. Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжений.
Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но всесторонне этот способ соединения обосновал венгерский электротехник Миклош Дери (1854–1934 гг.), который в 1885 г. получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения. Независимо от него аналогичный патент в Англии получил С. Ц. Ферранти.
Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) разработали в 1884–1885 гг. венгерские электротехники Миклош Дери, Отто Блати (1860–1938 гг.) и Карой Циперновский (1853–1942 гг.), впервые предложившие и сам термин «трансформатор». В патентной заявке (февраль 1885 г.) они отмечали важное значение замкнутого шихтованного сердечника, в особенности для мощных силовых трансформаторов. На рис. 3.6 изображены первые образцы кольцевого и броневого трансформаторов, а также общий вид серийного трансформатора системы Блати, Дери и Циперновского, выпускавшегося электромашиностроительным заводом фирмы «Ганц и Кº» в Будапеште. Эти трансформаторы содержали все основные элементы современных конструкций однофазных трансформаторов.
Венгерские инженеры нашли оптимальные соотношения между расходом меди и стали в трансформаторах и обеспечили своей продукции широкий сбыт на мировом электротехническом рынке. В частности, эта фирма осуществила в 1887 г. одну из первых в России установок переменного тока для освещения оперного театра в г. Одессе.
На территории завода «Ганц и Кº», где 100 с небольшим лет назад создавали первый трансформатор, в наши дни разместились корпуса завода «Ганц Моваг», выпускающего электропоезда и сложное электрооборудование для энергетики. На заводе есть музей, в котором главное место отведено истории создания трансформатора.
В 1885 г. Фирмой «Вестингауз» был построен первый автотрансформатор, который предложил американский электрик Уильям Стенли. В конце 80-х годов английский электрик Д. Свинберн предложил масляное охлаждение трансформаторов.
3.3. ПОИСКИ ПУТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ
Опыты использования электромагнитного телеграфа привели к мысли о возможности передачи по проводам более значительных количеств энергии. Уже в 40–50-х годах XIX в. в США, Италии и других странах высказываются идеи о создании электрической железной дороги с передачей энергии на расстояние. Однако всеобщую известность получили опыты французского электрика Ипполита Фонтена (1833–1910 гг.).
В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой и начинается история электропередачи. На этой выставке И. Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Генератор и двигатель соединялись кабелем длиной несколько больше 1 км. Двигатель приводил в действие насос искусственного декоративного водопада. Этим опытом была продемонстрирована реальная возможность передачи электроэнергии на расстояние (пусть вначале это был всего 1 км). Вместе с тем И. Фонтен не был убежден в экономической целесообразности электропередачи, так как при включении соединительного кабеля он получил значительное снижение мощности двигателя, большие потери энергии в кабеле. Вот что писал И. Фонтен два года спустя после опытов в Вене: «Тогда, как и теперь, я не верю в возможность электрической передачи больших мощностей на большие расстояния; электрические железные дороги мне казались и кажутся и теперь решением, применять которое можно посоветовать только в совершенно исключительных случаях».
Как известно, потери в линии зависят от напряжения, удельного сопротивления провода и его сечения. Снижение удельного сопротивления проводов практически неосуществимо, так как медь, ставшая основным материалом для изготовления проводов, имеет предельно малое удельное электрическое сопротивление. Лишь в настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные работы по снижению сопротивления линий электропередачи с использованием явления сверхпроводимости (криогенные линии электропередачи). Следовательно, имелись только два пути снижения потерь в линии: увеличение сечения проводов или повышение напряжения.
В 70-х годах XIX в. был исследован первый путь, так как увеличение площади поперечного сечения проводников представлялось мероприятием, по-видимому, более естественным и технически легче осуществимым по сравнению с повышением напряжения. В 1874 г. русский военный инженер Федор Аполлонович Пироцкий (1845–1898 гг.) [3.4] пришел к выводу об экономической целесообразности производства электрической энергии в тех местах, где она может быть получена с малыми затратами благодаря наличию топлива или гидравлической энергии, и передачи ее по линии к более или менее отдаленному месту потребления. В том же году он приступил к опытам передачи энергии на артиллерийском полигоне Волкова поля (около Петербурга), использовав электрическую машину Грамма. Дальность передачи в опытах Ф.А. Пироцкого составляла несколько более 200 м, а затем была увеличена примерно до 1 км.
Для уменьшения потерь в линии Ф.А. Пироцкий предлагал использовать в качестве проводников железнодорожные рельсы, площадь поперечного сечения которых более чем в 600 раз превышала площадь поперечного сечения обыкновенного телеграфного провода. Стремясь проверить свои выводы, он в конце 1875 г. провел опыты передачи электроэнергии по рельсам бездействовавшей ветки Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,5 км. Оба рельса изолировались от земли, один из них служил прямым, второй — обратным проводом. Электрическая энергия передавалась от небольшого генератора Грамма к электродвигателю, удаленному на расстояние около 1 км.
Необходимо отметить, что Ф.А. Пироцкий был не единственным электротехником, ставшим на путь увеличения площади поперечного сечения проводов. Так, например, В. Сименс, посетив в 1876 г. Ниагарский водопад, сумел правильно оценить энергетические возможности его использования, но утверждал, что для передачи энергии водопада на расстояние 50 км потребуется проводник диаметром 75 мм. Иными словами, как заявил В. Сименс, для изготовления проводов придется использовать целый медный рудник. Подобные выводы являлись наглядным выражением уровня познаний в области электротехники в 70-х годах XIX в.
Несмотря на нерациональность практического направления, избранного Ф.А. Пироцким, его опыты привлекли внимание к вопросам электропередачи вообще и вызвали ряд новых исследований, приведших к выявлению правильного пути для решения этой проблемы. Предложение же Ф.А. Пироцкого об использовании железнодорожных рельсов для передачи электрической энергии на расстояние нашло свое применение уже при разработке первых проектов городских электрических железных дорог.
Другой путь решения проблем передачи электрической энергии, основанный на повышении напряжения, длительное время осмысливался теоретически. Здесь можно упомянуть исследование классической задачи из теории цепей о передаче энергии от источника к нагрузке, выполненное в 1877 г. французским академиком Э. Маскаром, но не доведенное до ясных практических выводов. Наиболее обстоятельное исследование этого вопроса выполнили в 1880 г. независимо друг от друга французский инженер (впоследствии академик) Марсель Депре (1843–1918 гг.) и профессор физики Петербургского лесного института Дмитрий Александрович Лачинов (1842–1902 гг.). [1.6; 3.5].
В марте 1880 г. в протоколах Парижской академии наук был опубликован доклад М. Депре «О коэффициенте полезного действия электрических двигателей и об измерении количества энергии в электрической цепи». Автор доклада — крупный специалист в области электротехники. Он вошел в историю как изобретатель нескольких систем амперметра, ваттметра, апериодического гальванометра, принципа смешанного (компаундного) возбуждения электрических машин, электромагнитного молота (двигателя возвратно-поступательного движения) и электрической системы синхронной связи движений.
В интересующем нас докладе М. Депре математически доказывал, что КПД установки, состоявшей из электродвигателя и линии передачи, не зависит от сопротивления самой линии. Такой вывод показался Депре парадоксальным, так как ему вначале не удалось установить, что увеличение сопротивления линии не влияет на эффектность электропередачи только при определенном условии, а именно при увеличении напряжения передачи.
Эти условия впервые были указаны Д.А. Лачиновым в статье «Электромеханическая работа», опубликованной в июне 1880 г. в первом номере журнала «Электричество». На основе математических выкладок он показал, что в электропередаче «полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условии увеличения скорости вращения генератора (т.е. при повышении напряжения в линии так как ЭДС, развиваемая генератором, пропорциональна частоте его вращения). Д.А. Лачинов также установил количественное соотношение между параметрами линии передачи, доказав, что для сохранения КПД передачи при увеличении сопротивления в
генератора в
В 1882 г. М. Депре строит первую линию электропередачи Мисбах — Мюнхен протяженностью 57 км. На одном конце опытной линии в г. 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 г. 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 достаточно благоприятных технических результатов (КПД передачи не превысил 25%), его значение нельзя недооценивать: электропередача Мисбах — Мюнхен являлась отправным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и средств передачи электроэнергии на расстояние.
Обратим внимание на любопытный факт. Теория телеграфных линий была разработана достаточно хорошо, и было известно, что наибольший эффект в работе приемного устройства достигается тогда, когда его сопротивление равно внутреннему сопротивлению источника энергии вместе с сопротивлением соединительных проводов (согласованный режим). Но при этом теоретический КПД всей установки составляет 50%.
Но то, что целесообразно для «слаботочной» техники, становится нецелесообразным для «сильноточной», энергетической техники. В последнем случае важен экономический эффект, и КПД следует всемерно повышать в ущерб количеству передаваемой энергии. Это обстоятельство длительное время оказывалось труднодоступным для понимания, и многие даже крупные специалисты (в том числе И. Фонтен, позднее Г. Ферарис и др.) теряли перспективу в научно-технических поисках и порой прекращали работу лишь потому, что не могли освободиться от привычных рамок теории слаботочных цепей.
В 1885 г. были проведены новые опыты на расстоянии 56 км между г. Крейлем и Парижем. В качестве генераторов постоянного тока высокого напряжения использовались специально построенные машины, дававшие напряжение до 6 кВ. Масса такой машины была около 70 т, мощность около 50 л.с., КПД передачи около 45%.
В эти же годы были осуществлены единичные передачи электроэнергии на расстояние для промышленного использования с КПД до 75%.
Тем не менее попытки решить проблему электропередачи на постоянном токе, осуществленные в 80-х годах, не принесли желаемых результатов. При этом важно подчеркнуть возникшее противоречие. С одной стороны, практика проектирования и производства электрических машин и аппаратов постоянного тока получила уже значительное развитие, двигатели постоянного тока обладали хорошими рабочими характеристиками, отвечавшими большинству требований промышленности. Поэтому не было серьезных препятствий к тому, чтобы приступить к широкой электрификации станочного парка промышленности. Но, с другой стороны, широкая электрификация промышленности могла быть осуществлена в больших масштабах только при централизованном производстве электроэнергии, а следовательно, только при обеспечении ее передачи на значительные расстояния.
Однако для передачи энергии требовалось получить высокие напряжения, а технические возможности того времени не позволяли строить генераторы постоянного тока высокого напряжения; примером этого могут служить машины М. Депре, которые часто выходили из строя из-за порчи изоляции. Вообще говоря, в любом случае возможности передачи энергии при высоком напряжении генератора ограничены сравнительно низкими пределами. Кроме того, электроэнергию постоянного высокого напряжения нелегко было использовать потребителям: нужно было строить двигатель-генераторную установку для преобразования высокого напряжения в низкое.
Еще один путь использования постоянного тока для электропередачи был намечен в основополагающей работе Д.А. Лачинова. Он предлагал для повышения напряжения соединить последовательно по несколько машин на каждом конце линии. В этом случае каждая в отдельности машина могла быть рассчитана на более низкое напряжение, а следовательно, могла быть более надежной. И. Фонтен первым реализовал практически эту идею, осуществив в 1886 г. передачу, в которой со стороны генератора работали четыре последовательно соединенные машины (по 1500 В), т.е. получил те же 6 кВ, что и у М. Депре, а со стороны приемника — три двигателя суммарной мощностью около 50 л.с. Двигатели могли использоваться непосредственно для привода исполнительных механизмов, могли вращать валы генераторов низкого напряжения, пригодных для целей освещения; КПД этой установки достигал 52%. Позднее эта идея о последовательном включении генераторов была развита в других электропередачах.
Трудности, связанные с электропередачей на постоянном токе, направили мысли ученых на разработку теории и техники переменного тока.
Когда основные элементы техники переменного тока (генераторы, трансформаторы) были разработаны, 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. На Туринской выставке в следующем году Л. Голяр осуществил передачу мощности примерно 40 л.с. на 40 км. При напряжении 2000 В.
Однако во второй половине 80-х годов XIX в. уже возникла и очень беспокоила инженеров и ученых задача включения двигательной нагрузки в электрическую сеть. Таким образом, и при передаче электроэнергии в однофазных цепях переменного тока возникло противоречие не менее серьезное, чем при электропередаче постоянным током. Напряжение однофазных цепей переменного тока можно легко повышать и понижать с помощью трансформаторов практически в любых желаемых пределах. Следовательно, для передачи электроэнергии затруднений не было. Но однофазные двигатели переменного тока имели совершенно неприемлемые для практики характеристики. В частности, они либо вообще не имели пускового момента (синхронные двигатели), либо пускались с очень большим трудом из-за тяжелых условий коммутации тока (коллекторные двигатели). Поэтому сфера применения однофазных цепей переменного тока должна была ограничиваться почти исключительно электрическим освещением, что, конечно, не могло удовлетворить требования промышленности.
3.4. РАННИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Электростанции, под которыми понимают фабрики по производству электрической энергии, подлежащей распределению между различными производителями, появились не сразу. В 70-х и начале 80-х годов XIX в. место производства электроэнергии не было отделено от места потребления.
Электрические станции, обеспечивавшие электроэнергией ограниченное количество потребителей, назывались блок-станциями (не путать с современным понятием блок-станций, под которым некоторые авторы понимают фабрично-заводские теплоэлектроцентрали). Такие станции иногда называли «домовыми».
Развитие первых электростанций было сопряжено с преодолением трудностей не только научно-технического характера. Так, городские власти запрещали сооружение воздушных линий, не желая портить внешний вид города. Конкурирующие газовые компании всячески подчеркивали действительные и мнимые недостатки нового вида освещения.
На блок-станциях в качестве первичных двигателей применялись в основном поршневые паровые машины и в отдельных случаях двигатели внутреннего сгорания (в то время являвшиеся новинкой), широко использовались локомобили. От первичного двигателя к электрическому генератору делалась ременная передача. Обычно один паровой двигатель приводил в действие один-три генератора; поэтому на крупных блок-станциях устанавливались несколько паровых машин или локомобилей. Для регулировки натяжения ремней электрические генераторы монтировались на салазках. На рис. 3.7 показан вид электростанции для освещения одного дома.
Впервые блок-станции были построены в Париже для освещения улицы Оперы. В России первой установкой такого рода явилась станция для освещения Литейного моста в Петербурге, созданная в 1879 г. при участии П.Н. Яблочкова.
Однако идея централизованного производства электроэнергии была настолько экономически оправданной и настолько соответствовала тенденции концентрации промышленного производства, что первые центральные электростанции возникли уже в середине 80-х годов XIX в. и быстро вытеснили блок-станции. В связи с тем что в начале 80-х годов массовыми потребителями электроэнергии могли стать только источники света, первые центральные электростанции проектировались, как правило, для питания осветительной нагрузки и вырабатывали постоянный ток.
В 1881 г. несколько предприимчивых американских финансистов под впечатлением успеха, которым сопровождалась демонстрация ламп накаливания, заключили соглашение с Т.А. Эдисоном и приступили к сооружению первой в мире центральной электростанции (на Пирльстрит в Нью-Йорке). В сентябре 1882 г. эта электростанция была сдана в эксплуатацию. В машинном зале станции было установлено шесть генераторов Т.А. Эдисона, мощность каждого составляла около 90 кВт, а общая мощность электростанции превышала 500 кВт. Здание станции и ее оборудование были спроектированы весьма целесообразно, так что в дальнейшем при строительстве новых электростанций развивались многие из тех принципов, которые были предложены Т.А. Эдисоном. Так, генераторы станций имели искусственное охлаждение и соединялись непосредственно с двигателем. Напряжение регулировалось автоматически. На станции осуществлялись механическая подача топлива в котельную и автоматическое удаление золы и шлака. Защита оборудования от токов короткого замыкания осуществлялась плавкими предохранителями, а магистральные линии были кабельными. Станция снабжала электроэнергией обширный по тому времени район площадью 2,5 км.
Вскоре в Нью-Йорке было построено еще несколько станций. В 1887 г. работали уже 57 центральных электростанций системы Т.А. Эдисона.
Исходное напряжение первых электростанций, от которого впоследствии были произведены другие, образующие известную шкалу напряжений, сложилось исторически. Дело в том, что в период исключительного распространения дугового электрического освещения эмпирически было установлено, что наиболее подходящим для горения дуги является напряжение 45 В. Чтобы уменьшить токи короткого замыкания, которые возникали в момент зажигания ламп (при соприкосновении углей), и для более устойчивого горения дуги включали последовательно с дуговой лампой балластный резистор.
Также эмпирически было найдено, что сопротивление балластного резистора должно быть таким, чтобы падение напряжения на нем при нормальной работе составляло примерно 20 В. Таким образом, общее напряжение в установках постоянного тока сначала составляло 65 В, и это напряжение применялось долгое время. Однако часто в одну цепь включали две другие лампы, для работы которых требовалось 2x45 = 90 В, а если к этому напряжению прибавить еще 20 В, приходящиеся на сопротивление балластного резистора, то получится напряжение 110 В. Это напряжение почти повсеместно было принято 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 допустимыми потерями напряжения в электрической сети, которые для данной сети тем меньше, чем выше напряжение. Именно это обстоятельство заставило строить электростанции в центральных районах города, что существенно затрудняло не только обеспечение водой и топливом, но и удорожало стоимость земельных участков для строительства электростанций, так как земля в центре города была чрезвычайно дорога. Этим, в частности, и объясняется необычный вид нью-йоркских электростанций, на которых оборудование располагалось на многих этажах. Положение осложнялось еще тем, что на первых электростанциях приходилось размещать большое количество котлов, паропроизводительность которых не соответствовала новым требованиям, предъявленным электроэнергетикой.
Не менее удивился бы наш современник, увидев первые петербургские электростанции, которые обслуживали район Невского проспекта. В начале 80-х годов XIX в. они размещались на баржах, закрепленных у причалов на реках Мойке и Фонтанке (рис. 3.8). Строители исходили из соображений дешевого водоснабжения, кроме того, при таком решении не нужно было покупать земельные участки, близкие к потребителю.
В 1886 г. в Петербурге было учреждено акционерное «Общество электрического освещения 1886 г.»: (сокращенно называлось «Общество 1886 г.»), которое приобрело электростанции на реках Мойке и Фонтанке и построило еще две: у Казанского собора и на Инженерной площади. Мощность каждой из этих электростанций едва превышала 200 кВт.
В Москве первая центральная электростанция (Георгиевская) была построена в 1886 г. тоже в центре города, на углу Большой Дмитровки и Георгиевского переулка. Ее энергия использовалась для освещения прилегающего района. Мощность электростанции составляла 400 кВт.
Ограниченные возможности расширения радиуса электроснабжения привели к тому, что удовлетворить спрос на электроэнергию со временем становилось все труднее. Так, в Петербурге и Москве к середине 90-х годов возможности присоединения новой нагрузки к существующим электростанциям были исчерпаны и встал вопрос об изменении схем сети или даже об изменении рода тока.
Рост потребностей в электроэнергии эффективно стимулировал повышение производительности и экономичности тепловой части электрических станций. Прежде всего следует отметить решительный поворот от поршневых паровых машин к паровым турбинам. Первая турбина на электростанциях России была установлена в 1891 г. в Петербурге (станция на р. Фонтанке). За год до этого испытание турбины было проведено на станции, расположенной на р. Мойке. 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 стремились расширить круг потребителей своего товара — электроэнергии. Этим объясняются настойчивые поиски путей увеличения площади электроснабжения при условии сохранения уже построенных станций постоянного тока. Было предложено несколько идей, как увеличить радиус распределения энергии.
Первая идея, не получившая заметного распространения, касалась понижения напряжения электрических ламп, подключавшихся в конце линии. Однако расчеты показали, что при протяженности сети более 1,5 км экономически выгоднее было построить новую электростанцию.
Другое решение, которое могло во многих случаях удовлетворить потребность, состояло в изменении схемы сети: переходе от двухпроводных сетей к многопроводным, т.е. фактически к повышению напряжения
Трехпроводная система распределения электроэнергии была предложена в 1882 г. Дж. Гопкинсоном и независимо от него Т. Эдисоном. При этой системе генераторы на электростанции соединялись последовательно и от общей точки шел нейтральный, или компенсационный провод. При этом обычные лампы сохранялись. Они включались, как правило, между рабочими и нейтральным проводами, а двигатели для сохранения симметрии нагрузки можно было включать на повышенное напряжение (220 В).
Практическими результатами введения трехпроводной системы явилось, во-первых, увеличение радиуса электроснабжения примерно до 1200 м, во-вторых, относительная экономия меди (при всех прочих одинаковых условиях расход меди при трехпроводной системе был практически вдвое меньше, чем при двухпроводной).
Для регулирования напряжения в ветвях трехпроводной сети применялись различные устройства: регулировочные дополнительные генераторы, делители напряжения, в частности получившие значительное распространение делители напряжения Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, аккумуляторные батареи. Трехпроводная система широко применялась как в России, так и за рубежом. Она сохранилась вплоть до 20-х годов XX в., а в отдельных случаях применялась и позднее.
Максимальный вариант многопроводных систем пятипроводная сеть постоянного тока, в которой применялись четыре последовательно включенных генератора и напряжение, увеличивалось вчетверо. Радиус электроснабжения возрастал всего до 1500 м. Однако эта система не получила широкого применения.
Третий путь увеличения радиуса электроснабжения предполагал сооружение аккумуляторных подстанций. Аккумуляторные батареи были в то время обязательным дополнением каждой электростанции. Они покрывали пики нагрузок. Заряжаясь в дневные и поздние ночные часы, они служили резервом.
Сети с аккумуляторными подстанциями получили некоторое распространение. В Москве, например, в 1892 г. была построена аккумуляторная подстанция в Верхних торговых рядах (ныне ГУМ), находившаяся на расстоянии 1385 м от Георгиевской центральной станции. На этой подстанции были установлены аккумуляторы, питавшие около 2000 ламп накаливания.
В последние два десятилетия XIX в. было построено много электростанций постоянного тока, и они долгое время давали значительную долю общей выработки электроэнергии. Мощность таких электростанций редко превышала 500 кВт, агрегаты обычно имели мощность до 100 кВт.
Все возможности увеличения радиуса электроснабжения при постоянном токе довольно быстро были исчерпаны, особенно в крупных городах.
В 80-х годах XIX в. начинают сооружаться электростанции переменного тока, выгодность которых для увеличения радиуса электроснабжения была бесспорной. Если не считать блок-станций переменного тока, построенных в Англии в 1882–1883 гг., то, по-видимому, первой постоянно действовавшей электростанцией переменного тока можно считать электростанцию Гровнерской галереи (Лондон). На этой станции, пущенной в эксплуатацию в 1884 г., были установлены два генератора переменного тока В. Сименса, которые через последовательно включенные трансформаторы Дж.Д. Голяра и Л. Гиббса работали на освещение галереи. Недостатки последовательного включения трансформаторов и, в частности, трудности поддержания постоянства тока были выявлены довольно быстро, и в 1886 г. эта станция была реконструирована по проекту С.Ц. Ферранти. Генераторы В. Сименса были заменены машинами конструкции С.Ц. Ферранти мощностью 1000 кВт каждая с напряжением на зажимах 2,5 кВ. Трансформаторы, изготовленные по проекту С.Ц. Ферранти, включались в цепь параллельно и служили для снижения напряжения в непосредственной близости от потребителей.
В 1889–1890 гг. С.Ц. Ферранти вновь вернулся к проблеме электроснабжения Лондона с целью обеспечения электроэнергией района лондонского Сити. В связи с высокой стоимостью земельного участка в центре города было решено построить электростанцию в одном из предместий Лондона, в Дептфорде, находящемся в 12 км от Сити. Очевидно, на таком большом расстоянии от места потребления электроэнергии электростанция должна была вырабатывать переменный ток. При сооружении этой установки были применены мощные по тому времени генераторы высокого напряжения (10 кВ) мощностью по 1000 л.с. Общая мощность Дептфордской электростанции составляла около 3000 кВт. На четырех городских подстанциях, питавшихся по четырем магистральным кабельным линиям, напряжение понижалось до 2400 В, а затем уже у потребителей (в домах) — до 100 В.
Примером крупной гидростанции, питавшей осветительную нагрузку в однофазной цепи, может служить станция, построенная в 1889 г. на водопаде вблизи г. Портленда (США). На этой станции гидравлические двигатели приводили в действие восемь однофазных генераторов общей мощностью 720 кВт. Кроме того, на электростанции были установлены 11 генераторов, предназначенных специально для питания дуговых ламп (по 100 ламп на каждый генератор). Энергия этой станции передавалась на расстояние 14 миль в г. Портленд.
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 при таких условиях оказались электрические сети, на сооружение которых расходовались колоссальные количества меди и изоляторов.
Поделиться книгой: