Лекции по "Электроэнергетике"

В 1885 г. фирмой «Вестингауз» был построен первый автотрансформатор, который предложил У. Стенли.

Важное значение для  расширения области применения трансформаторов и улучшения надежности их работы стало введение в конце 80-х г. масляного охлаждения (Д. Свинберн). Первые такие трансформаторы помещались в керамический сосуд, наполненный керосином или маслом.

 

Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень

 

Лекция 3.5

 

Первые исследования в области передачи электрической  энергии на большие расстояния

 

Проблема передачи энергии  на расстояние возникла задолго до того, как были построены первые электростанции. Но особенно актуальна  она стала в связи с возникновением крупных предприятий.

Раньше всего возникли способы механической передачи (штанги, тяги, канаты), а затем получили распространение  разные способы передачи механической энергии посредством систем приводных  ремней и канатов. Подобная (трансмиссионная) передача даже теперь не совсем отмерла.

В 40 – 50 - х гг. XIX в. ученые США, Италии и др. стран заговорили о возможности использования железной дороги для передачи электроэнергии на расстояния.

Исключительно большую  роль в пропаганде научно - технических знаний и прогресса сыграли международные и национальные выставки. В России первая выставка отечественной промышленности была открыта в 1829 г. Первая в мире электротехническая выставка была открыта в марте 1880 г. в Петербурге, а первая международная электротехническая выставка - в 1881 г. в Париже.

В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой  и начинается история электропередачи. На ней французский электротехник Ипполит Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Между генератором и двигателем он включил барабан с кабелем длиной немного больше 1 км. Этим опытом была продемонстрирована реальная возможность передачи электрической энергии на расстоянии. Вместе с тем сам Фонтен не был убежден в экономической целесообразности электропередачи, так как при включении кабеля получил значительное снижение мощности двигателя, т.е. большие потери энергии в кабеле.

Из закона Джоуля - Ленца известно, что потери в проводах составляют:

 

Снижение удельного  сопротивления проводов практически неосуществимо (медь имеет предельно малое ρ). Таким образом, имелось только два пути снижения ∆Р: увеличение сечения проводов или увеличение напряжения.

В 70 - х годах был  исследован первый путь, так как  он казался более естественным и  легче осуществимым в техническом  отношении.

В 1874 г. русский военный  инженер Федор Аполлонович Пироцкий пришел к выводу об экономической  целесообразности производства электрической энергии там, где она может быть дешево получена благодаря наличию топлива или гидравлической энергии, и передачи ее по линии к потребителю. В том же году он приступил к опытам по передаче энергии от небольшого генератора Грамма к электродвигателю. Дальность передачи составила 1 км. Для уменьшения потерь в линии Пироцкий предлагал в качестве проводов использовать железнодорожные рельсы. В 1875 г. он провел опыты передачи электроэнергии по рельсам бездействовавшей ветки Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,5 км.  Оба рельса были изолированы от земли, один из них служил прямым, другой – обратным проводом.

Опыты Пироцкого привлекли  внимание к возможностям передачи электроэнергии вообще и помогли выявить правильное направление в исследованиях. А  его предложение об использовании железнодорожных рельсов позже нашло применение при разработке первых проектов городских электрических железных дорог.

Другой путь решения  проблемы передачи электрической энергии (повышение напряжения) длительное время осмысливался теоретически.

Наиболее обстоятельное  исследование этого вопроса выполнили  в 1880 г. независимо друг от друга французский  инженер Марсель Депре и профессор физики Петербургского лесного института Дмитрий  Александрович Лачинов.

В марте 1880 г. в Парижской академии наук был опубликован доклад Депре «О КПД электродвигателей и об измерении количества энергии в электрической цепи», где он математически доказывал, что КПД установки из электродвигателя и линии передачи не зависит от сопротивления самой линии. Такой вывод самому Депре показался парадоксальным, так как ему не удалось вначале установить, что увеличение сопротивления линии не влияет на эффективность электропередачи только при увеличении напряжения передачи.

Эти условия впервые  были указаны Лачиновым в июне 1880 г. в первом номере журнала «Электричество». Лачинов показал, что «полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условии увеличения скорости вращения генератора (т. е. при повышении напряжения в линии, т.к. э. д. с., развиваемая генератором, пропорциональна частоте его вращения). Он также установил количественное соотношение между параметрами линии передачи, доказав, что для сохранения к. п. д. передачи при увеличении сопротивления линии в n раз необходимо увеличить частоту вращения генератора в раз.

Депре к подобным выводам  пришел год спустя.

В 1882 г. Депре строит первую линию электропередачи Мисбах-Мюнхен длиной 57 км. На одном конце опытной линии в 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 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 благоприятных результатов (к. п. д. передачи не превосходил 25 %), эта линия явилась отправным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и средств передачи электроэнергии на расстояние.

Отметим интересный факт. Теория телеграфных линий была разработана  достаточно хорошо, и было известно, что наибольший эффект в работе приемного устройства достигается тогда, когда его сопротивление вместе с сопротивлением соединительных проводов равно внутреннему сопротивлению источника. Но при этом КПД всей установки составляет 50%. Иными словами, режим передачи наибольшей мощности от источника к нагрузке соответствовал КПД лишь 0.5!

Но для энергетической техники важен экономический эффект и к. п. д. следует всемерно повышать даже в ущерб количеству передаваемой мощности. Это обстоятельство долгое время оставалось труднодоступным для понимания, и даже крупные специалисты из – за этого теряли перспективу в научных поисках и часто прекращали работу.

В 1885 г. были опять произведены новые опыты по передаче энергии постоянного тока на расстояние 56 км. Были специально построены генераторы постоянного тока, дававшие напряжение до 6 кВ.

Тем не менее, попытки решить проблему передачи на постоянном токе не принесли желаемых результатов. Для передачи энергии требовалось получать высокие напряжения, а технические возможности того времени не позволяли строить генераторы постоянного тока высокого напряжения - не выдерживала изоляция. Кроме того, энергию постоянного тока высокого напряжения не представлялось возможным легко использовать потребителям: нужно было иметь двигательно-генераторную установку для преобразования высокого напряжения в низкое.

Еще один путь использования  постоянного тока для электропередачи был намечен в указанной выше работе Лачинова: он предлагал для повышения напряжения соединить последовательно несколько машин на каждом конце линии. В этом случае каждая отдельная машина могла быть рассчитана на низкое напряжение и быть более надежной. Фонтен первым реализовал эту идею в 1886 г, создав установку, к. п. д. которой составлял 52% .

Трудности, связанные  с электропередачей на постоянном токе, направили мысли ученых на разработку техники и теории переменного  тока. Когда основные элементы техники переменного тока были разработаны (генераторы, трансформаторы), 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. Через год он осуществил передачу мощности  примерно 40 л. с. на 40 км при напряжении 2000 В.

Однако во второй половине 80-х годов возникла и была актуальнейшей задача включения в сеть электростанций силовой нагрузки. Таким образом, и при передаче электроэнергии однофазным переменным током снова возникло противоречие не менее серьезное, чем при электропередаче постоянным током. Напряжение однофазного переменного тока можно легко повышать и понижать с помощью трансформаторов практически в любых желаемых пределах, т.е. при передаче энергии затруднений нет. Но однофазные двигатели переменного тока имели совершенно неприемлемые для целей практики характеристики (они либо вообще не имели пускового момента (синхронные двигатели), либо пускались с очень большим трудом из – за тяжелых условий коммутации тока (коллекторные двигатели), и сфера применения переменного тока пока ограничивалась исключительно электрическим освещением, что не удовлетворяло требованиям промышленности.

 

Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень

 

Лекции 3.6-3.7

 

Электростанции  постоянного и однофазного переменного  тока

 

Электростанции в современном  смысле этого слова появились не сразу. В 70 - 80-х годах XIX века место производства электроэнергии еще не было отделено от места ее потребления. Электростанции, обеспечивающие электроэнергией ограниченное число потребителей, назывались блок - станциями.

В связи с трудностями регулирования системы дугового освещения на первых порах строились специализированные блок - станции: одни для дуговых ламп, другие - для ламп накаливания.

Развитие первых электростанций было сопряжено с преодолением трудностей не только научно - технического характера. Так, городские власти запрещали сооружение воздушных линий, опасаясь за внешний вид города. Газовые компании, опасаясь конкуренции, всячески подчеркивали действительные и мнимые недостатки нового вида освещения.

На таких блок-станциях в качестве первичных двигателей поначалу применяли в основном поршневые паровые машины - локомобили (иногда двигатели внутреннего сгорания, которые были новинкой). От первичного двигателя к электрическому генератору делалась ременная передача, позволявшая приводить в движение быстроходные электрические генераторы от сравнительно тихоходных паровых машин. Для регулирования натяжения ремня генераторы монтировались на салазках.

Впервые блок - станции были построены в Париже для питания свечей Яблочкова на улице Оперы. В России первой установкой такого рода явилась станция для освещения Литейного моста в Петербурге, созданная в 1879 г. при участии Яблочкова. С конца 1881 г. возникают блок – станции, в сети которых включались дуговые лампы совместно с лампами накаливания.

Однако идея централизованного  производства электроэнергии была настолько  экономически оправданной и соответствовала  тенденции концентрации промышленного производства, что первые такие станции возникли уже в середине 80-х годов и быстро вытеснили блок - станции. В начале 80 – х годов массовыми потребителями электроэнергии могли стать только источники света, поэтому первые центральные электростанции проектировались для питания осветительной нагрузки и вырабатывали постоянный ток.

В 1881 г. несколько американских финансистов под впечатлением успеха, которым сопровождалась демонстрация ламп накаливания, заключили с Эдиссоном соглашение и приступили к строительству первой в мире центральной электростанции (в Нью-Йорке). В сентябре 1882 г. она была сдана в эксплуатацию. В машинном зале было установлено 6 генераторов Эдиссона мощностью по 90 кВт каждый, а суммарная мощность станции была более 500 кВт. Станция была спроектирована очень рационально: генераторы имели искусственное охлаждение; они соединялись непосредственно с приводными двигателями; осуществлялась механическая подача топлива в котельную и механическое удаление золы и шлаков; защита от токов к.з. осуществлялась плавкими вставками; магистральные линии были кабельными, а напряжение регулировалось автоматически. Так что в дальнейшем при сооружении других станций развивались эти правильные принципы. Данная электростанция снабжала энергией значительный по размерам для того времени район площадью 2,5 км².

Исходные величины напряжений первых электростанций, от которых впоследствии были произведены другие, образующие известную шкалу напряжений, сложились исторически.

Дело в том, что в  период исключительного распространения  дугового освещения эмпирически  было установлено, что наиболее подходящим для горения дуги является U = 45 В. Чтобы уменьшить токи к.з. в момент зажигания ламп (при соприкосновение углей) и для более устойчивого горения дуги, последовательно с дуговой лампой включали сопротивление. Также эмпирически было найдено, что величина этого сопротивления должна быть такой, чтобы падение напряжения на нем при нормальной работе составляло ~ 20 В. Таким образом, получалось U = 65 В, что долго и применялось. Однако часто в одну цепь включали две дуговые лампы, отсюда U= 2 ∙ 45 +20 = 110 В. Это напряжение и было принято почти повсеместно 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 величиной допустимых потерь напряжения в сети, которые для данной сети тем меньше, чем выше напряжение. Именно это заставляло строить электростанции в центральных частях города, что существенно затрудняло не только обеспечение водой и топливом, но и удорожало стоимость земельных участков для строительства. Этим, в частности, объясняется вид Нью-Йорской электростанции, где оборудование располагалось на многих этажах. Аналогичная ситуация была и в Петербурге: электростанции, обслуживающие район Невского проспекта, располагались на баржах (рядом вода, не надо земли), стоявших на Мойке и Фонтанке.

Ограничение возможности  расширения радиуса электроснабжения привело к тому, что удовлетворять  спрос на электроэнергию со временем становилось все труднее. Так, в Петербурге и Москве в середине 90 – х годов возможности присоединения новой нагрузки к существующим станциям были исчерпаны, поэтому стали задумываться об изменении схем сети и даже рода тока.

На центральных электростанциях с ростом их мощности локомобили, применявшиеся в качестве первичных двигателей, постепенно вытеснялись стационарными машинами. Их мощность составляла 100 - 300 л.с. при небольшой скорости вращения 100 - 200 об/мин, что приводило к необходимости введения между машиной и генератором ременной или канатной передачи.

Основным топливом в котельных служил уголь, загрузка была ручной. Расход топлива при несовершенном способе сжигания, отсутствие экономайзера, подогрева воздуха и при плохой изоляции в 3 - 4 раза превышал расходы современных станций.