ПОИСКИ ПУТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ

Опыты использования электромагнитного телеграфа привели к мысли о возможности передачи по проводам более значительных количеств энергии. Уже в 40–50‑х годах XIX в. в США, Италии и других странах высказываются идеи о создании электрической железной дороги с передачей энергии на расстояние. Однако всеобщую известность получили опыты французского электрика Ипполита Фонтена (1833–1910 гг.).

В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой и начинается история электропередачи. На этой выставке И. Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Генератор и двигатель соединялись кабелем длиной несколько больше 1 км. Двигатель приводил в действие насос искусственного декоративного водопада. Этим опытом была продемонстрирована реальная возможность передачи электроэнергии на расстояние (пусть вначале это был всего 1 км). Вместе с тем И. Фонтен не был убежден в экономической целесообразности электропередачи, так как при включении соединительного кабеля он получил значительное снижение мощности двигателя, большие потери энергии в кабеле. Вот что писал И. Фонтен два года спустя после опытов в Вене: «Тогда, как и теперь, я не верю в возможность электрической передачи больших мощностей на большие расстояния; электрические железные дороги мне казались и кажутся и теперь решением, применять которое можно посоветовать только в совершенно исключительных случаях».

Как известно, потери в линии зависят от напряжения, удельного сопротивления провода и его сечения. Снижение удельного сопротивления проводов практически неосуществимо, так как медь, ставшая основным материалом для изготовления проводов, имеет предельно малое удельное электрическое сопротивление. Лишь в настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные работы по снижению сопротивления линий электропередачи с использованием явления сверхпроводимости (криогенные линии электропередачи). Следовательно, имелись только два пути снижения потерь в линии: увеличение сечения проводов или повышение напряжения.

В 70‑х годах XIX в. был исследован первый путь, так как увеличение площади поперечного сечения проводников представлялось мероприятием, по‑видимому, более естественным и технически легче осуществимым по сравнению с повышением напряжения. В 1874 г. русский военный инженер Федор Аполлонович Пироцкий (1845–1898 гг.) [3.4] пришел к выводу об экономической целесообразности производства электрической энергии в тех местах, где она может быть получена с малыми затратами благодаря наличию топлива или гидравлической энергии, и передачи ее по линии к более или менее отдаленному месту потребления. В том же году он приступил к опытам передачи энергии на артиллерийском полигоне Волкова поля (около Петербурга), использовав электрическую машину Грамма. Дальность передачи в опытах Ф.А. Пироцкого составляла несколько более 200 м, а затем была увеличена примерно до 1 км.

Для уменьшения потерь в линии Ф.А. Пироцкий предлагал использовать в качестве проводников железнодорожные рельсы, площадь поперечного сечения которых более чем в 600 раз превышала площадь поперечного сечения обыкновенного телеграфного провода. Стремясь проверить свои выводы, он в конце 1875 г. провел опыты передачи электроэнергии по рельсам бездействовавшей ветки Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,5 км. Оба рельса изолировались от земли, один из них служил прямым, второй – обратным проводом. Электрическая энергия передавалась от небольшого генератора Грамма к электродвигателю, удаленному на расстояние около 1 км.

Необходимо отметить, что Ф.А. Пироцкий был не единственным электротехником, ставшим на путь увеличения площади поперечного сечения проводов. Так, например, В. Сименс, посетив в 1876 г. Ниагарский водопад, сумел правильно оценить энергетические возможности его использования, но утверждал, что для передачи энергии водопада на расстояние 50 км потребуется проводник диаметром 75 мм. Иными словами, как заявил В. Сименс, для изготовления проводов придется использовать целый медный рудник. Подобные выводы являлись наглядным выражением уровня познаний в области электротехники в 70‑х годах XIX в.

Несмотря на нерациональность практического направления, избранного Ф.А. Пироцким, его опыты привлекли внимание к вопросам электропередачи вообще и вызвали ряд новых исследований, приведших к выявлению правильного пути для решения этой проблемы. Предложение же Ф.А. Пироцкого об использовании железнодорожных рельсов для передачи электрической энергии на расстояние нашло свое применение уже при разработке первых проектов городских электрических железных дорог.

Другой путь решения проблем передачи электрической энергии, основанный на повышении напряжения, длительное время осмысливался теоретически. Здесь можно упомянуть исследование классической задачи из теории цепей о передаче энергии от источника к нагрузке, выполненное в 1877 г. французским академиком Э. Маскаром, но не доведенное до ясных практических выводов. Наиболее обстоятельное исследование этого вопроса выполнили в 1880 г. независимо друг от друга французский инженер (впоследствии академик) Марсель Депре (1843–1918 гг.) и профессор физики Петербургского лесного института Дмитрий Александрович Лачинов (1842–1902 гг.). [1.6; 3.5].

В марте 1880 г. в протоколах Парижской академии наук был опубликован доклад М. Депре «О коэффициенте полезного действия электрических двигателей и об измерении количества энергии в электрической цепи». Автор доклада – крупный специалист в области электротехники. Он вошел в историю как изобретатель нескольких систем амперметра, ваттметра, апериодического гальванометра, принципа смешанного (компаундного) возбуждения электрических машин, электромагнитного молота (двигателя возвратно‑поступательного движения) и электрической системы синхронной связи движений.

В интересующем нас докладе М. Депре математически доказывал, что КПД установки, состоявшей из электродвигателя и линии передачи, не зависит от сопротивления самой линии. Такой вывод показался Депре парадоксальным, так как ему вначале не удалось установить, что увеличение сопротивления линии не влияет на эффектность электропередачи только при определенном условии, а именно при увеличении напряжения передачи.

Эти условия впервые были указаны Д.А. Лачиновым в статье «Электромеханическая работа», опубликованной в июне 1880 г. в первом номере журнала «Электричество». На основе математических выкладок он показал, что в электропередаче «полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условии увеличения скорости вращения генератора (т.е. при повышении напряжения в линии так как ЭДС, развиваемая генератором, пропорциональна частоте его вращения). Д.А. Лачинов также установил количественное соотношение между параметрами линии передачи, доказав, что для сохранения КПД передачи при увеличении сопротивления в п раз необходимо увеличить частоту вращения

генератора в √n раз: «Если, например, – писал Д.А. Лачинов, – увеличим R в 100 раз, то при передаче того же числа лошадиных сил скорость будет десятерная». К подобным же выводам пришел год спустя М. Депре.

В 1882 г. М. Депре строит первую линию электропередачи Мисбах – Мюнхен протяженностью 57 км. На одном конце опытной линии в г. 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 г. 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 достаточно благоприятных технических результатов (КПД передачи не превысил 25%), его значение нельзя недооценивать: электропередача Мисбах – Мюнхен являлась отправным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и средств передачи электроэнергии на расстояние.

Обратим внимание на любопытный факт. Теория телеграфных линий была разработана достаточно хорошо, и было известно, что наибольший эффект в работе приемного устройства достигается тогда, когда его сопротивление равно внутреннему сопротивлению источника энергии вместе с сопротивлением соединительных проводов (согласованный режим). Но при этом теоретический КПД всей установки составляет 50%.

Но то, что целесообразно для «слаботочной» техники, становится нецелесообразным для «сильноточной», энергетической техники. В последнем случае важен экономический эффект, и КПД следует всемерно повышать в ущерб количеству передаваемой энергии. Это обстоятельство длительное время оказывалось труднодоступным для понимания, и многие даже крупные специалисты (в том числе И. Фонтен, позднее Г. Ферарис и др.) теряли перспективу в научно‑технических поисках и порой прекращали работу лишь потому, что не могли освободиться от привычных рамок теории слаботочных цепей.

В 1885 г. были проведены новые опыты на расстоянии 56 км между г. Крейлем и Парижем. В качестве генераторов постоянного тока высокого напряжения использовались специально построенные машины, дававшие напряжение до 6 кВ. Масса такой машины была около 70 т, мощность около 50 л.с., КПД передачи около 45%.

В эти же годы были осуществлены единичные передачи электроэнергии на расстояние для промышленного использования с КПД до 75%.

Тем не менее попытки решить проблему электропередачи на постоянном токе, осуществленные в 80‑х годах, не принесли желаемых результатов. При этом важно подчеркнуть возникшее противоречие. С одной стороны, практика проектирования и производства электрических машин и аппаратов постоянного тока получила уже значительное развитие, двигатели постоянного тока обладали хорошими рабочими характеристиками, отвечавшими большинству требований промышленности. Поэтому не было серьезных препятствий к тому, чтобы приступить к широкой электрификации станочного парка промышленности. Но, с другой стороны, широкая электрификация промышленности могла быть осуществлена в больших масштабах только при централизованном производстве электроэнергии, а следовательно, только при обеспечении ее передачи на значительные расстояния.

Однако для передачи энергии требовалось получить высокие напряжения, а технические возможности того времени не позволяли строить генераторы постоянного тока высокого напряжения; примером этого могут служить машины М. Депре, которые часто выходили из строя из‑за порчи изоляции. Вообще говоря, в любом случае возможности передачи энергии при высоком напряжении генератора ограничены сравнительно низкими пределами. Кроме того, электроэнергию постоянного высокого напряжения нелегко было использовать потребителям: нужно было строить двигатель‑генераторную установку для преобразования высокого напряжения в низкое.

Еще один путь использования постоянного тока для электропередачи был намечен в основополагающей работе Д.А. Лачинова. Он предлагал для повышения напряжения соединить последовательно по несколько машин на каждом конце линии. В этом случае каждая в отдельности машина могла быть рассчитана на более низкое напряжение, а следовательно, могла быть более надежной. И. Фонтен первым реализовал практически эту идею, осуществив в 1886 г. передачу, в которой со стороны генератора работали четыре последовательно соединенные машины (по 1500 В), т.е. получил те же 6 кВ, что и у М. Депре, а со стороны приемника – три двигателя суммарной мощностью около 50 л.с. Двигатели могли использоваться непосредственно для привода исполнительных механизмов, могли вращать валы генераторов низкого напряжения, пригодных для целей освещения; КПД этой установки достигал 52%. Позднее эта идея о последовательном включении генераторов была развита в других электропередачах.

Трудности, связанные с электропередачей на постоянном токе, направили мысли ученых на разработку теории и техники переменного тока.

Когда основные элементы техники переменного тока (генераторы, трансформаторы) были разработаны, 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. На Туринской выставке в следующем году Л. Голяр осуществил передачу мощности примерно 40 л.с. на 40 км. При напряжении 2000 В.

Однако во второй половине 80‑х годов XIX в. уже возникла и очень беспокоила инженеров и ученых задача включения двигательной нагрузки в электрическую сеть. Таким образом, и при передаче электроэнергии в однофазных цепях переменного тока возникло противоречие не менее серьезное, чем при электропередаче постоянным током. Напряжение однофазных цепей переменного тока можно легко повышать и понижать с помощью трансформаторов практически в любых желаемых пределах. Следовательно, для передачи электроэнергии затруднений не было. Но однофазные двигатели переменного тока имели совершенно неприемлемые для практики характеристики. В частности, они либо вообще не имели пускового момента (синхронные двигатели), либо пускались с очень большим трудом из‑за тяжелых условий коммутации тока (коллекторные двигатели). Поэтому сфера применения однофазных цепей переменного тока должна была ограничиваться почти исключительно электрическим освещением, что, конечно, не могло удовлетворить требования промышленности.