11.3. Передача электроэнергии переменным током

Значительный прогресс в технологии передачи электрической энергии на большие расстояния был достигнут в середине 80-х годов XIX века с началом использования переменного тока. Было установлено, что получение тока высокого напряжения непосредственно от динамо-машины переменного тока достигается значительно легче, чем от динамо-машины постоянного тока. Кроме того, необходимое высокое напряжение электропередачи можно получать не в самой динамо-машине, а посредством повышающего трансформатора, что значительно проще и эффективнее. При этом в конце электропередачи может быть установлен понижающий трансформатор для обратного понижения напряжения.

Первый опыт электропередачи переменным током был осуществлен Л.Голардом (1850– 1888) в 1884 г. в Турине. В этом опыте были использованы трансформаторы, которые повышали напряжение до 2 кВ. Длина линии составляла 40 км и по ней передавалась мощность 20 кВт. В конце 80-х годов XIX века крупнейшие установки однофазного переменного тока были построены в России и Украине. В Одессе (1887 г.) от сети переменного тока напряжением 2000 В через трансформаторы питались электролампы в Оперном театре и в частных домах. В том же году в Царском Селе (ныне г. Пушкин) под Петербургом началась эксплуатация электростанции постоянного тока. Протяженность воздушной сети была 64 км. В 1890 г. станция и воздушная сеть были реконструированы и переведены на однофазный переменный ток напряжением 2000 В. Царское Село (по свидетельству современников) было первым городом в Европе, который освещался исключительно электричеством.

Рис. 11.2. Линия передачи однофазного переменного тока в Портленде (1889 г.)

С 1882 г. начали строиться генераторы английского инженера Дж. Гордона (1852–1893). В 1885 г. венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и К. Циперновским был разработан промышленный трансформатор с замкнутой магнитной системой, который стал выпускаться заводом в Будапеште. Это открыло возможность получать необходимое высокое напряжение в начале электропередачи на повышающем трансформаторе вне динамомашины, что оказывалось проще и эффективней. При этом в конце электропередачи низкое напряжение у потребителей можно было получать за счет установки понижающего трансформатора.

Рис. 11.3. Конструкция первичной станции в Лауфене на Неккаре

В 1889 г. в США была построена линия промышленной электропередачи однофазного тока протяженностью 28 км от гидростанции до осветительных установок в г. Портленде. На гидростанции были установлены 19 генераторов, каждый из которых питал 100 ламп по отдельной линейной цепи, так как синхронизация генераторов еще не производилась. Из рис. 11.2 легко понять, насколько неэкономичными при таких условиях оказывались электрические сети, на сооружение которых расходовались колоссальные количества проводниковой меди и изоляторов.

Небольшое немецкое местечко Лауфен, расположенное на берегу реки Неккар, сыграло значительную роль в истории развития электротехники. В нем был цементный завод, снабжаемый значительным количеством водяной энергии от близлежащего водопада. При этом завод мог использовать лишь небольшую ее часть. Дирекция завода, зная об удачных опытах по передаче электрической энергии на большие расстояния, решила, что существует возможность продавать избыток своей водяной энергии промышленному Франкфурту-на-Майне, расположенному на расстоянии 175 км от Лауфена, в форме электрического тока. Оскар Миллер – создатель всей этой по тем временам грандиозной системы передачи электрической энергии – предложил использовать трехфазный переменный ток, о котором в то время только начинали говорить, на что и получил согласие заводской дирекции.

Конструкция первичной станции в Лауфене на Неккаре показана на рис. 11.3, а схема электропередачи Лауфен – Франкфурт-наМайне приведена на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Схема электропередачи Лауфен–Франкфурт-на-Майне (1891 г.): Г – синхронный генератор; Т1и Т2– трансформаторы

Напряжение электропередачи Лауфен – Франкфурт-на-Майне с 15 кВ было вскоре повышено до 30 кВ. В 1901 г. в США на р. Миссури была построена электропередача напряжением 50 кВ, а к 1903 г. предельное напряжение возросло до 60 кВ, передаваемая мощность – до 17 тыс. кВт (Ниагара – Буффало), а дальность достигла 350 км.

В 1891 г. система была введена в эксплуатацию. Для получения электрической энергии были установлены три водяные турбины по 300 л.с., соединенные передаточным редуктором с динамо-машиной переменного тока (рис. 11.5). Линия состояла из трех медных проволок, подвешенных на столбах высотой 8 м при помощи особой конструкции из фарфоровых изоляторов. По проводам передавался переменный ток напряжением в 8500 В, получаемый с помощью первичного повышающего трансформатора. Во Франкфурте-на-Майне в конце электропередачи напряжение понижалось до 65 В и использовалось для питания электродвигателей и ламп накаливания. Коэффициент полезного действия такой электропередачи достигал 75%.

Вся дальнейшая история развития линий электропередачи вплоть до конца XX века сопровождалась увеличением напряжения, передаваемых мощностей и протяженности линий. На первом этапе преобладающей по важности проблемой было уменьшение потерь в линиях, что требовало повышения напряжения.

Дальнейший рост номинального напряжения линий электропередачи ограничивался возможностями использовавшихся в то время штыревых изоляторов, не позволявших поднять напряжение выше 70 кВ. Только изобретение в начале ХХ века подвесных изоляторов позволило резко увеличить применявшееся напряжение, и уже в 1908–1912 гг. в Америке и Германии были построены первые линии электропередачи переменного тока напряжением 110 кВ.

Дополнительное затруднение на пути роста номинального напряжения возникло в связи с увеличением потерь на корону (коронный разряд с поверхности проводов). Теоретические исследования показали, что уменьшить потери можно путем увеличения действительного либо «электрического» диаметра провода. Первое направление привело к применению алюминиевых, сталеалюминиевых и полых проводов большего диаметра. Второе направление (предложенное В.Ф. Миткевачем в 1910 г.) привело к применению расщепленных фаз, состоящих из нескольких проводов.

Удачное завершение Лауфенского проекта, доказавшего принципиальную техническую возможность передачи электрической энергии на большие расстояния, обратило на себя внимание электротехников во всем мире, стремившихся решить сложную техническую задачу использования огромного количества дешевой водяной энергии и в первую очередь энергии падающей воды.

В 1889 г., т.е. еще до осуществления Лауфенского проекта, созданная в США компания приобрела права на использование энергии Ниагарского водопада в размере 450 тыс. л.с. с американской и канадской сторон. Полученная электрическая энергия распределялась по заводам, расположенным в районе г. Ниагары, а также использовалась для городского электрического освещения. Часть электрической энергии направлялась по специально сооруженной линии электропередачи в г. Буффало, для чего предварительно напряжение повышалось до 22000 В с помощью трансформаторов.

Рис. 11.5. Динамомашина переменного тока