Лекции по "Электроэнергетике"

 К 70-м годам XIX в. закладываются основы новых отраслей техники - кабельной и электроизоляционной.

Начальный период развития кабельной техники тесно связан с работами по минной электротехнике и электромагнитному телеграфу. Первый подводный электрический кабель (Шиллинг, 1812 г.) представлял собой тонкую проволоку, покрытую двумя слоями изоляции (шелком и пенькой), причем первый слой (шелк) пропитывался специальным смолистым составом, на который затем навивалась пенька, а потом все снова пропитывалось тем же составом.

Первые подземные телеграфные  кабели (Шиллинг, Якоби и др.) изготавливались так же, провода изолировались одним или двумя слоями хлопчатобумажной пряжи с последующей пропиткой ее специальными составами (например, из воска, сала и канифоли). Защитной оболочкой служили стеклянные трубки, соединенные резиновыми муфтами, или стальные гильзы; в отдельных случаях стеклянные трубки закладывались в деревянные желоба (при подземной прокладке).

В начале 40-х годов XIX в. создаются специальные машины для обвивки проводов пряжей, в качестве изоляционных материалов начинают применять резину и гуттаперчу (В. Сименс).

В начале 50 – х годов  для воздушных линий электропередач стали применять изоляторы из стекла и фарфора.

Существенную роль в  улучшении качества изоляции сыграло  создание пресса (Сименс, 1879 г.) для бесшовного покрытия медной жилы резиновой или гуттаперчевой изоляцией. В этом же году изолированный провод стали покрывать свинцовой оболочкой (Ф. Борель (Швейцария).

С 1890 г. начинают внедрять для силовых кабелей пропитанную маслом бумажную изоляцию.

Развитие электрических  машин и аппаратов вызвало необходимость в развитии специальных термостойких электроизоляционных материалов. Для повышения термостойкости создаются теплостойкие пропиточные составы и покрытия. Для изоляции пластин коллектора начинают применять слюду.

В конце 90-х годов на основе слюды создаются новые материалы (полиэтилен, полистирол, винипласт, поливинилхлорид и др.). Позднее создаются высокотемпературные полимеры, такие как фторопласты, сшитый и облученный полиэтилены и др., нашедшие широкое применение для изоляции электрических машин и приборов.

В конце 1906 г. были изобретены проходные, опорные, подвесные изоляторы на основе керамики, покрытой глазурью, позже эти изоляторы стали изготавливать из электротехнических стекол и специальных пластмасс.

 

Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень

 

Лекции 3.3-3.4

 

Развитие генераторов  и двигателей однофазного тока

 

Так как переменный ток  долгое время не находил практического  применения, то попытки сконструировать  соответствующий генератор до конца 70-х годов носили эпизодический характер.

Обычно это были машины постоянного тока, у которых отсутствовал коллектор, а было два кольца.

Рассмотренный выше «генератор Р. М.» был первым многополюсным  синхронным генератором, и в последующих  машинах пытались улучшить конструкцию коммутирующих устройств, т. е. превратить генераторы переменного тока в генераторы постоянного тока.

Наиболее существенный толчок в области генераторов  переменного тока дала электрическая  свеча Яблочкова. Уже в 1878 г. Яблочков совместно с заводом Грамма разработал несколько однотипных конструкций генераторов переменного тока для питания 4, 6, 16 и 20 свечей. Яблочков предложил и другие конструкции генераторов переменного тока, не сыгравшие заметной роли: генератор с возвратно-поступательным движением якоря (1876 г.) и индукторные генераторы (1877 и 1881гг.).

Серьезные трудности  на пути совершенствования генераторов  переменного тока возникли из-за нагрева  сердечников, которые до 80-х годов  не шихтовались.

Таким образом, налицо две главные тенденции, определяющие развитие генераторов переменного тока: для увеличения мощности увеличивать число катушек якоря (так же, как и в машинах постоянного тока в 40 – 50 гг.), а для снижения потерь в сердечнике (и, следовательно, его нагрева) уменьшать объем стали якоря (некоторые генераторы изготовлялись с катушками, не имевшими стальных сердечников).

Указанные тенденции  можно проиллюстрировать примерами  наиболее типичных машин, построенных в 80-х годах. Так, генератор Сименса (1878 г.) (рис. 5.7) имел большое число катушек на статоре, питаемых от отдельного возбудителя и катушки без стальных сердечников на роторе. Катушки ротора последовательно проходили между парами катушек статора, полярность которых чередовалась. Соединение катушек ротора друг с другом было выполнено таким образом, чтобы ЭДС их складывались. Устранение стальных сердечников, естественно, увеличивало магнитное сопротивление в машине, что снижало ее эффективность.

Последний период развития генераторов переменного тока начинается в 90-х г. XIX в. после того как началось производство 3-х фазных машин с шихтованными сердечниками и барабанными якорями.

Как известно, электрическая  машина обратима. С этой точки зрения принципиальных трудностей для построения двигателей переменного тока не было. Уже в 1841 г. Ч. Уитстон построил синхронный двигатель, основанный на взаимодействии постоянных магнитов и электромагнитов переменного тока.

Из-за отсутствия начального вращающего момента пуск всех однофазных синхронных двигателей был затруднен - они нуждались в дополнительных разгонных двигателях и не могли получить широкого распространения.

В сетях однофазного тока применялись коллекторные двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. При их питании переменным током направление основного магнитного потока изменялось одновременно с изменением направления тока в якоре и, следовательно, вращающий момент имел постоянное направление. М. Дери и О. Блати впервые предложили применять такие коллекторные однофазные двигатели в 1885 г. Однако широкого распространения они не нашли из – за чрезмерного нагрева сердечников электромагнитов вихревыми токами и тяжелых условий коммутации, вызывавших сильное искрение на коллекторе. Эти недостатки частично устранялись применением дополнительных полюсов, но они оказались неэффективными в пусковых условиях. Поэтому коллекторные однофазные двигатели применялись очень мало. В настоящее время они используются в основном для бытового электропривода.

 

Развитие однофазных трансформаторов 

 

В развитии трансформаторов также можно выделить несколько характерных периодов.

Первый период (1830 - 1870 гг.) характеризуется развитием принципов трансформации; созданием индукционных приборов, преобразующих импульсы постоянного тока одного напряжения в импульсы тока другого напряжения.

Схематическое изображение  будущего трансформатора впервые появилось в 1831 г. в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, т. е. трансформирования переменного тока. Они демонстрировали электромагнитную индукцию при замыкании и размыкании цепи постоянного тока.

Суть опытов Фарадея (рис.) состоит в следующем: обнаружив возникновение тока во вторичной цепи 2 при замыкании или размыкании первичной 1, Фарадей поставил эксперимент для выяснения свойств индуктированного тока: внутрь спирали 6, включенной во вторичную цепь,

помещалась стальная игла 8, которая намагничивалась индуктированным током. Результат говорил о том, что индуктированный ток подобен току, получаемому непосредственно от гальванической батареи 3.

Заменяя деревянный или  картонный барабан 4, на который наматывались первичная и вторичная обмотки стальным кольцом, Фарадей обнаружил более интенсивное отклонение стрелки гальванометра 5. Данный опыт указывал на существенную роль среды в электромагнитных процессах. Здесь Фарадей впервые применяет устройство, которое можно назвать прототипом трансформатора.

В конце 40-х г. и позже  большое распространение получили индукционные катушки. Наибольшую известность получили  индукционные катушки немецкого механика Генриха Румкорфа (1848 г.). Его катушки предназначались для получения искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной цепи. Катушку Румкорфа применил для дистанционного взрывания мин Б. С. Якоби.

Второй период (середина 70 - х – середина 80 - х гг.) характеризуется применением в сетях переменного тока индукционных катушек, которые представляли собой однофазный трансформатор с разомкнутым сердечником (магнитопроводом). Первыми такими трансформаторами были индукционные катушки Яблочкова, используемые им в системе «дробления электрической энергии» для питания нескольких дуговых ламп. По существу он в 1889 г. создал первый силовой трансформатор.

В дальнейшем подобное применение трансформаторов с разомкнутым  сердечником получило развитие в  работах И.Ф. Усагина и Э.Д. Гиббса.

В 1882 г. Усагин продемонстрировал  устройство, показавшее, что предложенный П.Н. Яблочковым способ распределения  электрической  энергии с помощью индукционных катушек можно целиком применять для одновременного питания любого типа электрических приемников.

Усагин воспользовался индукционными катушками с разомкнутым  сердечником. В зависимости от потребителя  катушки имели разные размеры, но коэффициент трансформации был равен 1. В схеме Усагина первичные обмотки семи катушек включались последовательно в цепь однофазного тока, а во вторичные обмотки включались приемники: электродвигатель, нагревательная спираль, дуговые лампы с регулятором, электрические свечи Яблочкова. Все приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу.

Заслуга Усагина  заключается в том, что он убедительно  показал универсальность переменного  тока и безопасность его использования.

Изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов в пользу переменною тока. И между сторонниками систем постоянного и переменного токов в 80 – е годы шла настоящая битва, отражающая поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния.

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 кВ. Радиус электроснабжения не превышал нескольких 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 двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882 г. Голяром и Гиббсом. Трансформаторы Голяра и Гиббса 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. 5.9. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек 1, первичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичные обмотки катушек были секционированы и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Заслуживают внимания выдвижные сердечники 2 катушек, с помощью которых регулировалось напряжение на вторичных обмотках.

В системах дугового освещения, как правило, регулировалась величина тока в цепи последовательно включенных потребителей. Но после изобретения лампы накаливания и других приемников, для которых важно поддерживать постоянную величину напряжения, более целесообразным стало их параллельное включение. Таким образом, при параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутым сердечником становилось технически не оправданным. Трансформаторы с замкнутой магнитной системой имеют значительно меньший намагничивающий ток и, следовательно, меньшие потери электроэнергии и больший к. п. д.  

В течение третьего периода (середина 80 - х – 90 - е гг.) был разработан промышленный тип трансформатора с замкнутой магнитной системой, а также предложено параллельное включение трансформаторов.

Первая конструкция  трансформатора с замкнутым сердечником была создана в 1884 г. в Англии братьями Д. и Э. Гопкинсон. Сердечник 1 был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, обмотки высшего 2 и низшего 3 напряжений.

Впервые предложение  о параллельном включении обмоток  трансформатора высказал Р. Кеннеди  в 1883 г., но более всесторонне этот способ был обоснован венгерским электротехником Максом Дери, который в 1885г. получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов.

Передача электрической энергии  переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания промышленного типа однофазного  трансформатора с замкнутой магнитной  системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели.

Такой трансформатор  в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885 г. венгерскими электротехниками О. Блатти, М. Дери и К.Циперновским, впервые предложившими и сам термин «трансформатор». Такой трансформатор содержал все основные элементы современных однофазных конструкций.