8.2. Создание центральных электростанций

Первыми постройкой крупных центральных электростанций с генераторами постоянного тока для производства электрической энергии и доставки ее абонентам занялись американские инженеры. Потребители, таким образом, были избавлены от необходимости самим вырабатывать электроэнергию для питания осветительных ламп. Идея централизованного производства электроэнергии была настолько экономически оправданной и настолько соответствовала тенденции концентрации промышленного производства, что еще до широкого распространения электрических ламп накаливания американцы уже сооружали центральные электростанции для снабжения электроэнергией дуговых ламп.

Когда Эдисон усовершенствовал свою лампу накаливания до возможности ее практического применения, несколько предприимчивых американских финансистов в 1881 году купили участок земли в Нью-Йорке, и уже в сентябре 1882 года первая в мире крупная центральная электростанция была введена в работу. Она состояла из шести пародинамомашин конструкции Эдисона мощностью по 125 лошадиных сил каждая (92 кВт). При этом район освещения едва достигал площади 2,5 кв. километра. Гениальный изобретатель и организатор Эдисон сумел поставить дело на электростанции так, что все большие и маленькие технические вопросы, имеющие огромное практическое значение, были успешно решены. Так, генераторы станции 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. Кабельными были магистральные линии. Впоследствии по образу и подобию первой Нью-Йоркской центральной электрической станции было построено еще пять аналогичных электростанций с усовершенствованными эдисоновскими пародинамо.

Ввиду необходимости строительства электростанций в непосредственной близости от места потребления электроэнергии (из-за малого напряжения электропередачи), а также ввиду значительной стоимости земли в НьюЙорке первые электростанции размещались в многоэтажных зданиях, что было небезопасно и конструктивно весьма нерационально. В подвальном этаже были установлены паровые машины и большие пародинамо. Последние из-за огромной тяжести своих движущихся частей требовали очень прочных фундаментов и поэтому размещались в нижнем этаже. На втором этаже (на уровне земли) были размещены менее мощные динамо-машины, на третьем и четвертом этажах – соответственно паровые водотрубные котлы и углехранилища. На самых верхних этажах – система охлаждения воды с помощью мощных вентиляторов и аккумуляторная батарея на 8000 А·ч.

Впоследствии при разработке систем трансформации электрической энергии и совершенствовании высоковольтных линий электропередачи, строительстве центральных электрических станций стали по возможности применять горизонтальное расположение оборудования в здании, а сами здания строить за границей плотной городской застройки.

Берлинская центральная электростанция была создана в 1884 году для обеспечения города электрическим освещением. В первое время станция была оборудована тремя паровыми и восемнадцатью динамо-машинами Эдисона, которые впоследствии были заменены на более совершенные и мощные динамомашины фирмы «Сименс и Гальске». По мере модернизации электростанции район освещения концентрически расширялся. Если на 1 января 1886 г. станция снабжала электро

энергией около 5000 электроламп мощностью по 50 Вт, то к началу 1899 г. было установлено более 600 тысяч электроламп, что позволило осветить практически всю центральную часть Берлина. В процессе модернизации Берлинской центральной электростанции все многочисленные небольшие динамо-машины с ременной передачей от паровой машины были заменены несколькими динамо-машинами большой мощности, непосредственно присоединенными к паровой машине. Здание модернизированной Берлинской центральной электростанции имело размеры около

24х15 метров, причем нижнюю часть занимал собственно машинный зал (рис. 8.12), а в верхней находились контора и помещение для обслуживающего персонала. На станции были установлены четыре мощных вертикальных паровых машины по 300 лошадиных сил каждая с непосредственным безременным приводом на динамо-машины фирмы «Сименс и Гальске». Впоследствии к трем паровым машинам было добавлено еще две мощностью по 900 лошадиных сил.

Рис. 8.12. Машинный зал Берлинской центральной электростанции

При совместном действии нескольких динамо-машин эксплуатационному персоналу Берлинской центральной электростанции пришлось впервые решать сложную задачу обеспечения их надежной параллельной работы при изменяющейся во времени электрической нагрузке. Многолетний опыт эксплуатации электростанции и статистический анализ огромного количества данных по электропотреблению в различное время суток и года позволили инженерам установить законы изменения электропотребления и даже предсказывать его величину для ближайших часов и дней. При этом учитывались возможность случайных колебаний потребления, а также постепенное возрастание общего потребления электроэнергии.

Рассмотренные выше первые центральные электрические станции постоянного тока, несмотря на свою относительную безопасность и простоту конструкции, обладали существенным недостатком – невозможностью передачи постоянного электрического тока на большие расстояния (максимум до 1000 м) и, следовательно, ограниченностью территории, снабжаемой электроэнергией от электрической станции. Кроме того, электростанция должна была территориально находиться в географическом центре освещаемого округа, т.е. в наиболее густонаселенных городских кварталах на наиболее дорогих участках земли.

Преодоление отмеченных технических недостатков стало возможным только при разработке устройств для трансформации напряжения и способов передачи электрической энергии на напряжении, повышенном до нескольких тысяч вольт. Как известно, практическое применение получили только системы трансформации переменного тока, что и обусловило дальнейший приоритет последних и, соответственно, широкое распространение переменного тока для передачи электрической

энергии. Поэтому в 80-х годах XIX века начали строить электрические станции переменного тока, которые позволили расширить область применения электроэнергии.

Рис. 8.13. Машинный зал центральной станции в Дептфорде

Особое преимущество приобретают электрические станции, расположенные вблизи источников водяной силы (водопады или искусственные плотины) либо вблизи угольных разрезов. Примером такого решения может служить центральная электрическая станция в Дептфорде (Англия), построенная в 1885 году для освещения западной части центрального Лондона. Станция была оборудована динамо-машинами переменного тока мощностью 1000 кВт и напряжением электропередачи в 10000 В (рис. 8.13). Причиной, побудившей англичан к такому отважному шагу, стало желание предпринимательского общества «Лондонская компания снабжения электричеством» построить станцию по возможности дальше за чертой города на дешевой земле. Проектировщики остановились на пригороде Лондона – Дептфорде, расположенном вблизи Гринвича на расстоянии 12 км от центра. Невиданная смелость английских электротехников заключалась в том, что к тому времени способы безопасной передачи электрического тока такого напряжения были еще совершенно не проработаны.

В 1889 году вблизи Портленда (США) была построена крупная гидростанция, на которой гидравлические двигатели приводили в действие восемь однофазных генераторов переменного тока общей мощностью 720 кВт.

Характерной особенностью первых электростанций переменного тока была изолированная работа отдельных машин. Синхронизация генераторов ещё не производилась, и от каждой машины шла отдельная цепь к потребителям. При таких условиях очень неэкономичными оказывались электрические сети, на сооружение которых расходовались колоссальные количества меди и изоляторов.

В конце 90-х годов XIX века в США при сооружении районных электростанций для снабжения электроэнергией промышленных районов и городов развернулась ожесточенная борьба вокруг огромных источников энергии Ниагарского водопада. Томас Эдисон предлагал строительство электростанций по производству постоянного тока. Вестингауз ратовал за сооружение гидростанций переменного тока. Добыв с помощью разведки чертеж генераторов переменного тока Вестингауза, Эдисон воспроизвел такой же и предложил сенату своего штата законопроект о запрещении переменного тока как необычайно опасного. Эдисон развернул кампанию в газетах, где выставлял переменный ток противным человеческой природе, морали и библии, призывал не проводить в дома переменный ток. Но все было напрасно.

Ниагарский водопад

Несмотря на все попытки опорочить переменный ток, он стал широко использоваться для передачи электроэнергии на расстояние. В 1896 году вступила в строй первая районная гидроэлектростанция на Ниагаре. Динамо-машины вырабатывали ток напряжением в 2000 В. Для передачи электроэнергии потребителю напряжение поднималось трансформаторами до 50 тыс. вольт. Электропередача осуществлялась на расстояние до 550 км. В последующие годы дали ток мощные гидрои тепловые станции в Обершпрее (Германия, 1897), Рейнфельдская ГЭС (1898), гидроэлектростанция в Жонат (Франция, 1901).

Использование такого значительного по тем временам напряжения способствовало интенсивному развитию технологии трансформации электрической энергии, созданию высоковольтной коммутационной и распределительной аппаратуры, а также прогрессивных методов изготовления проводов для высоковольтных линий электропередачи.

В созвездии славных имен ученых конца XIX и начала XX столетия, которые своими открытиями вписали наиболее яркие страницы в историю познания электрических и магнитных явлений, видное место принадлежит гениальному сыну украинского народа, выдающемуся ученому-экспериментатору с мировым именем, инженеру, полиглоту-переводчику, писателю и просветителю, профессору экспериментальной и технической физики в Немецкой высшей технической школе в Праге Ивану Павловичу Пулюю. Высокую оценку своего вклада в мировую науку и культуру он получил за пределами своего отечества.

Идея сооружения гидроэлектростанций в России зародилась ещё в 70-х годах XIX века. Военный инженер Ф.А. Пироцкий с 1874 года неоднократно предлагал использовать силу рек и водопадов, расположенных недалеко от Петербурга, для производства электроэнергии, способной найти использование в столице империи.

Рис. 8.14. Центральная электростанция «Общества электрического освещения 1886 года» в Санкт-Петербурге. Построена в 1898 г.

Первые петербургские электростанции, обслуживающие район Невского проспекта, в начале 80-х годов XIX в. размещались на баржах, закрепленных у причалов на реках Мойке и Фонтанке. Строители исходили из соображений дешевого водоснабжения. Кроме того, при таком решении строительства не нужно было покупать земельные участки, близкие к потребителю. В 1886 году в Петербурге было учреждено акционерное «Общество электрического освещения 1886 г.», которое приобрело станции на реках Мойке и Фонтанке и построило ещё две – у Казанского собора и на Инженерной площади. Мощность каждой из этих станций едва превышала 200 кВт.

Рис. 8.15. Киевская центральная электростанция трехфазного тока, введенная в эксплуатацию в 1898 году (фото 2002 г.)

Иван Павлович Пулюй (1845–1918) родился в городке Гримайлове на Тернопольщине в состоятельной семье. Сразу по окончании с отличием Тернопольской классической гимназии он поступает в Венский университет и в 1869 году оканчивает теологический факультет, а в 1873 г. успешно заканчивает обучение на естественном факультете этого же университета. Его влечет научно-исследовательская работа. Значительно позже, уже будучи маститым ученым, он напишет: «Если б я должен был ещё раз начинать жить и работать, то не избрал бы иных наук, чем естественные. Здесь вечные законы и непоколебимая правда».

Иван Пулюй обладал редчайшим сочетанием уникальных способностей экспериментатора с высоким интеллектом теоретика. Он вошел в науку в период развития кинетической теории газов, которая была первым шагом к познанию микроструктуры вещества. В этой области физики он достиг блестящих результатов, его теоретические исследования впоследствии нашли полное подтверждение на практике. Главная проблема, которую пытался решить ученый, состояла в выяснении природы процессов, происходящих в газоразрядных трубках. Он первым, ещё до американского физика Г. Ровленда, с помощью своего прибора получил самое точное значение механического эквивалента теплоты.

В области электротехники Иван Пулюй усовершенствовал изготовление нитей накаливания для осветительных ламп, получив на это патент. Он первым систематически исследовал холодный свет (неоновый). Важное практическое значение имела предложенная ученым конструкция телефонных станций и абонентских аппаратов, защищенных от сильных электрических токов. Иван Пулюй – изобретатель многих электротехнических и физических приборов. В энциклопедиях физики приводятся два его изобретения, удостоенные медалей на международных выставках в Париже (1878, 1881 гг.), – прибор для измерения механического эквивалента теплоты и лампа Пулюя (вакуумная трубка, в которой под действием катодных лучей на окислы или сульфиды кальция, магния, стронция или бария возникали, кроме видимого излучения, такие же лучи, какие открыл в ноябре 1895 года Вильгельм Конрад Рентген).

Когда в 1889 году австрийское правительство решило субсидировать строительство электростанций, Иван Пулюй посещал города в Чехии и на Мораве, убеждая представителей самоуправления воспользоваться этой возможностью. Это было совсем не просто. Даже в Праге борьба за строительство электростанции продолжалась семь лет. Неоднозначными были мнения и по поводу типа электростанции при решении вопроса, будет ли она вырабатывать постоянный или переменный ток. Именно Пулюй твердо отстаивал как экономические, так и экологические преимущества концепции строительства мощных электростанций переменного тока, и в Праге он создал электростанцию, которая вырабатывала переменный ток. Паровая электростанция с пятью альтернаторами мощностью по 800 кВт каждый была построена на берегу Влтавы в Голешовицах в 1898–1900 гг. Кроме этой электростанции, профессор Пулюй руководил сооружением ряда электростанций на постоянном токе в Австро-Венгрии. Благодаря своим энциклопедическим знаниям ученый пользовался большим авторитетом в научных кругах, среди промышленников и общественных деятелей. В 1888 г. он избирается ректором Немецкой высшей технической школы в Праге, много лет был экспертом по вопросам проектирования и строительства электростанций и электросетей при императорском и королевском суде в Чехии, президентом Электротехнического общества в Праге.

Первая промышленная электростанция в России мощностью 300 кВт была построена в 1895–1896 годах под руководством инженеров В.Н. Чиколева и Р.Э. Классона для энергоснабжения Охтинского порохового завода в Петербурге.

Центральная электростанция «Общества электрического освещения 1886 г.», построенная в Санкт-Петербурге в 1898 г., показана на рис. 8.14.

Центральная электростанция трехфазного тока в Киеве (рис. 8.15) была введена в эксплуатацию также в 1898 году.