Первые экспериментальные и теоретические исследования в области передачи электрической энергии постоянным током

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.

Опыты использования электромагнитного телеграфа неизбежно привели к мысли о возможности передачи по проводам более значительного количества энергии.

Здесь уместно отметить, что международные и национальные выставки сыграли исключительно большую роль в пропаганде научно-технических знаний.

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 И. Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Между генератором и двигателем он включил барабан с кабелем длиной 1 км (есть много версий, почему он это делал; одна - чтобы уменьшить мощность двигателя). 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 ). Таким образом, имелось только два пути снижения : 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 Ф.А. Пироцкий пришел к выводу о целесообразности производства электрической энергии там, где она может быть дешево получена благодаря наличию топлива или гидравлической энергии, и передаче ее по линии к потребителю. В том же году он приступил к опытам по передаче на артилерийском военном полигоне Волкова поля (около Петербурга). 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 Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,5 км.

Несмотря на нерациональность практического направления избранного Пироцким, его опыты привлекли внимание к возможностям передачи электроэнергии вообще и помогли выявить правильное направление в исследованиях. Предложение же Пироцкого 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 М. Депре и профессор физики Петербургского лесного института Д.А. 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 генератора (увеличения Е). Он также установил количественное соотношение между параметрами линии передачи, доказав, что для сохранения КПД передачи при увеличении сопротивления линии в п- раз необходимо увеличить скорость вращения генератора в 4п раз.

Депре к подобным выводам пришел год спустя.

В 1882 г. Депре строит первую линию электропередачи Мисбах-Мюнхен длиной 57 км [1]. Хотя этот первый опыт и не дал благоприятных результатов (КПД 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 достигался 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 то, что целесообразно для слаботочной техники становится нецелесообразным для сильноточной. В последнем случае важен экономический эффект и КПД следует всемерно повышать даже в ущерб количеству передаваемой мощности.

Это обстоятельство долгое время оставалось труднодоступным для понимания и любые даже крупные специалисты теряли перспективу в научных поисках и прекращали работу, так как не могли освободиться от привычных рамок теории слаботочных цепей.

В 1885 г. были опять произведены опыты по передаче энергии постоянного тока, но еще в большем масштабе. Были специально построены генераторы дававшие U= 6 кВ.

Тем не менее попытки решить проблемы в 80-е г. 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. В этом случае каждая отдельная машина могла быть рассчитана на низкое напряжение.

Фонтен первым реализовал эту идею в 1886 г.

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.

Однако во второй половине 80-х годов уже возникла 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, и сфера применения переменного тока пока ограничивалась исключительно электрическим освещением, что не удовлетворяло требований промышленности.