Проблемы передачи электрической энергии на расстояние

К моменту создания электромагнитных генераторов человечество уже освоило много способов получения механической энергии вращающегося вала, получаемой от перегретого пара, текущей воды, силы ветра и др. С этим валом хорошо сочеталась необходимость вращения ротора генератора. Однако, часто потребители электрической энергии оказывались сильно удалены от мест выработки механической энергии, а следовательно – и от электрических генераторов.

Решение передачи электрической энергии было подсказано опытом эксплуатации электрического телеграфа.

История электропередачи официально начинается с 1873 года, когда в Вене состоялась международная выставка. Здесь французский электрик И.Фонтен демонстрировал свойство обратимости электрических машин. Для решения частной проблемы привода насоса декоративного искусственного водопада Фонтен соединил генератор с электродвигателем кабелем длиной 1 км. Ему удалось решить конкретную практическую задачу, но он не считал экономически целесообразным передавать электрическую энергию на такое большое расстояние. Ведь по закону Джоуля - Ленца в кабеле должны быть большие потери энергии:

(8)

где: r –сопротивление провода ; I – ток ; P – передаваемая мощность (Р = I· U); U – напряжение ; ρ – удельное сопротивление материала провода ; -длина провода ; q –сечение провода. Отсюда видно, что потери в линии электропередачи растут пропорционально квадрату тока или передаваемой мощности. Удельное сопротивление меди – это лучшее, что дала в руки электротехников природа. Уменьшить его уже невозможно (не считая явление сверхпроводимости, открытого много позже). Осталось только два пути снижения потерь в линии электропередачи: увеличение сечения провода; увеличение напряжения.

В 1874 году русский военный инженер Ф.А. Пироцкий пришел к выводу об экономической целесообразности выработки электрической энергии в местах, где она обходилась дешевле всего.

Он провел опыты передачи на 1 км. Для уменьшения потерь сечение провода в 600 раз превышало сечение телеграфного кабеля. В 1875 году он попробовал передать электрическую энергию на расстояние 3,5 км по рельсам Сестрорецкой железной дороги. В 1876 году Сименс посетил Ниагарский водопад и высоко оценил его энергетические возможности. Он вычислил, что для передачи электрической энергии от Ниагарского водопада на расстояние 50 км (до ближайшего массового потребителя) понадобится медный проводник диаметром 75 мм.

Другой путь снижения потерь при передаче электрической энергии был связан с необходимостью существенного повышения напряжения. Наиболее обстоятельное исследование этой проблемы провели в 1880 году независимо друг от друга французский инженер Марсель Депре и профессор физики Петербургского лесного института Д.А. Лачинов.

Д.А. Лачинов опубликовал в 1880 году в первом номере журнала “Электричество” статью, в которой он предлагал с увеличением длины линии электропередачи соответственно увеличивать скорость вращения генератора. Он вычислил, что для сохранения КПД линии электропередачи, при увеличении ее длины в “К” раз, скорость вращения ротора генератора нужно увеличить в раз.

К подобным выводам М. Депре пришел только год спустя. В 1887 году он строит первую ЛЭП Мисбах – Мюнхен длиной 57 км. Генератор мощностью 3 л. с. давал напряжение 1,5 ÷ 2 кв. Энергия передавалась проводом диаметром 4,5 мм. КПД передачи составил 25%. Отсюда начинается отсчет времени строительства линий электропередачи (ЛЭП) в чисто практических целях. В 1885 году была построена линия протяженностью 56 км. Между Крейлем и Парижем с напряжением 6 кв. Мощность генератора - 50 л.с., кпд – 45%.

Общим признаком всех указанных ЛЭП было то, что все они работали на постоянном токе. Получение высоких напряжений в коллекторных генераторах постоянного тока проблематично. По этой причине генераторы, работающие на линию Депре, часто выходили из строя из-за электрического пробоя изоляции.

Д.А. Лачинов предложил для повышения напряжения соединить несколько генераторов последовательно. Задумку эту осуществил Д. Фонтен в 1886 году с четырьмя генераторами с напряжением 1500 В каждый. Таким образом, к линии подводилось напряжение 6 кВ. КПД установки достиг 52%.

Однако трудности передачи энергии на постоянном токе были очевидны. Поэтому к середине 80-х годов интерес к генераторам переменного тока стал возрастать. Здесь проблема неограниченного, как тогда казалось, повышения напряжения хорошо решалась использованием трансформаторов.