Электростанции постоянного и однофазного переменного тока

В 70-80-х годах XIX века процесс производства электроэнергии еще не был отделен от процесса 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, но и волюнтаристского и конъюнктурного характера. Так, городские власти запрещали сооружение воздушных линий, опасаясь за внешний вид города. Газовые компании всячески подчеркивали действительные и мнимые недостатки нового рода освещения.

На таких блок-станциях в качестве первичных двигателей поначалу применяли в основном поршневые паровые машины (локомобили), иногда ДВС. Сопряжение производилось с помощью ременных передач, так как поршневые двигатели были низкоскоростные (не более 200 об/мин). Для регулирования натяжения ремня электрогенераторы монтировались на салазках.

Впервые блок-станции ("домовые") были построены в Париже для питания свечей Яблочкова на улице "Opera".

В России первой установкой такого рода явилась станция для освещения Литейного моста (в Петербурге), созданная в 1879 г. Яблочковым.

Однако идея централизованного производства электроэнергии была настолько экономически оправданной и соответствовала тенденции концентрации производства, что первые такие станции возникли уже в середине 80-х годов и быстро вытеснили блок-станции.

В 1881 г. несколько предприимчивых американских финансистов под впечатлением успеха, которым сопровождалась демонстрация ламп накаливания, заключили с Эдисоном 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 Эдисона мощностью по 90 кВт каждый. 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 короткого замыкания осуществлялась плавкими вставками; магистральные линии были кабельными. Так что в дальнейшем при сооружении других станций развивались эти правильные принципы.

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 короткого замыкания в момент зажигания дуги (при соприкосновение углей) и для более устойчивого горения дуги, последовательно с дуговой лампой включали сопротивление. Также эмпирически было найдено, что величина этого балластного 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-Йоркской 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.

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 скорости вращения 100 - 200 об/мин, что приводило к необходимости введения между машиной и генератором ременной или канатной передачи. Давление пара не превышало 10 кг/см. Основным топливом служил каменный уголь, сжигавшийся на плоских колосниках, загрузка была ручной. Расход топлива при таком способе сжигания и отсутствие экономайзера, подогрева воздуха и плохой изоляции в 3 - 4 раза превышал расходы современных станций.

Рост потребностей в электроэнергии эффективно стимулировал повышение производительности и экономичности тепловых станций. Следует отметить решительный поворот от поршневых паровых машин к паровым турбинам.

В России первые паровые турбины были установлены в 1891 г. в Петербурге на Фонтанке [2].

В рассматриваемый период гидроэлектростанции строились редко в связи с трудностями передачи электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции - капиталистические предприятия - стремились расширить круг потребителей своего товара - электрической энергии. Было найдено несколько путей увеличить радиус распределения энергии.

Первая идея, не получившая распространения, касалась понижения напряжения электрических ламп. Однако расчеты показали, что при длине сети более 1.5 км экономически выгодней было построить новую электростанцию.

Другое решение, которое во многих случаях могло удовлетворить потребителей, состояло в изменении схемы сети: переход от двухпроводной к многопроводной, т.е. фактически повышение напряжения. Одним из таких решений была трехпроводная сеть: генераторы на станциях соединялись последовательно, и от средней точки шел нейтральный или компенсационный провод (1882 г. Дж. Гопкинсон и Т. Эдисон). При этом обычные лампы сохранялись и включались между линейным и нейтральным проводами, а двигатель для сохранения симметрии нагрузки включался на линейные провода (220 В). При несимметричной нагрузке в нейтральном проводе появлялся ток, но много меньше линейного, что позволяло уменьшить его сечение. Уменьшалось сечение (из-за нейтрального провода) и линейных проводов -экономия меди. Практически это позволяло увеличить радиус электроснабжения до 1200 м.

Третий путь увеличения радиуса электроснабжения предполагал сооружение аккумуляторных подстанций. Они были в то время обязательным дополнением любой электростанции, так как покрывали пики нагрузки. Эти подстанции сооружались вблизи потребителей.

Все возможности увеличения радиуса электроснабжения при постоянном токе довольно быстро были исчерпаны. Многопроводные сети и аккумуляторные подстанции могли удовлетворять потребности малых и средних городов, но совершенно не отвечали нуждам крупного города.

В 80-х г. начинают сооружаться станции переменного тока, выгодность которых с точки зрения радиуса электроснабжения была бесспорной.

Первой постоянно действовавшей электростанцией переменного тока можно считать станцию Гровнерской галереи (Лондон). На ней, пущенной в эксплуатацию в 1884 г., были установлены два генератора переменного тока Сименса, которые через последовательно включенные трансформаторы Голяра и Гиббса работали на освещение галереи. Недостатки последовательного включения трансформаторов (трудность поддержания постоянства тока) были выявлены быстро, ив 1886 г. эта станция была реконструирована по проекту С.Ц. Ферранти. Генераторы Сименса были заменены машинами Ферранти, каждая мощностью 1000 кВт с U= 2.5 кВ. Трансформаторы, изготовленные по проекту Ферранти, включались параллельно и служили для снижения напряжения в непосредственной близости от нагрузки.

Быстроходность паровых поршневых двигателей в то время сильно отставала от быстроходности генераторов. Поэтому последние имели большие диаметры и малые длины. Это характерно сейчас для гидростанций.

Примером крупной гидростанции однофазного тока, питавшей осветительную нагрузку, может служить американская станция, построенная в 1889 г. на водопаде вблизи г. Портленда. Гидравлические двигатели приводили в действие 8 однофазных генераторов общей мощностью 720 кВт. Энергия передавалась на расстояние 14 миль.

Характерная особенность первых электростанций переменного тока -изолированная работа отдельных машин. Синхронизация генераторов еще не производилась, и от каждой машины шла отдельная цепь к потребителям. Легко понять, насколько неэкономичными были такие сети (расход меди и изоляторов).

В России крупнейшие станции однофазного тока были сооружены в конце 80-х начале 90-х годов (1887 г. - Одесса). В том же году началась эксплуатация электростанции в Царском Селе. Протяженность воздушных линий была 64 км. В 1890 г. станция была переведена на переменный ток U = 2 кВ. По свидетельствам современников Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.

Крупнейшей в России электростанцией однофазного тока была станция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в 1894 г. инженером Н.В. Смирновым [1]. Ее мощность составляла 800 кВт и превосходила мощность любой существующей в то время станции постоянного тока.