Передача электрической энергии – исторический обзор от линий постоянного тока до первой трёхфазной линии переменного тока

1я веха

В 1777 году итальянский физик Алессандро Вольта предложил идею извещателя в виде пистолета, который бы выстреливал пробкой от возгорания болотного газа, тогда как причиной для воспламенения газа выступала бы электрическая искра. Новшество предложения Вольты заключалось в том, что пистолет он предлагал разместить в Милане, а лейденскую банку, соединённую с ним, – в Комо. 

Тогда энергию электрического разряда лейденской банки можно было бы передать по поводам из Комо — в Милан, то есть на расстояние около 50 км. Так, впервые в научном сообществе, именно Вольта озвучил мысль о передаче электрической энергии на расстояние по проводам.

Тем не менее, пройдёт ещё более века, прежде чем появится необходимость, а главное — реальная возможность для системной поставки электроэнергии на расстояние многих километров от места её производства.

2я веха

В 1880-е годы в США и Европе стали появляться первые мощные гидроэлектростанции, могущие производить столько электрической энергии, что ее хватило бы не только для питания потребителей вблизи станции, но и тем потребителям, что находятся в пределах значительного радиуса от неё. 

Тут же стали появляться и кабельные линии электропередачи, необходимые для питания электрического освещения в близлежащих городах. С развитием электротехники, а именно — к концу 19 века, гидроэлектростанции достигли такой мощности, что и линии электропередачи к ним потребовались сделать более мощными. К тому же появились электродвигатели, которые необходимо было питать, электроэнергией, передаваемой через большое расстояние. 

Очевидно, чтобы снизить джоулевы потери в проводах, необходимо было либо повышать напряжение, либо понижать ток, либо и то и другое. На протяжении лет инженеры трудились над устранением экономических препятствий. 

Началось все, конечно, с постоянного тока. В 1873 году Ипполит Фонтен показал на Венской международной выставке возможность передачи электрической энергии мощностью в одну лошадиную силу на расстояние в 1 километр. Его двигатель приводил во вращение насос искусственного водопада. 

Джоулевы потери в проводах были колоссальными, нужно было их как-то снизить. Следовало либо увеличить сечение провода в линии, либо повысить напряжение передачи. 

3я веха

В 1875 году военный инженер Федор Пироцкий предложил передавать электроэнергию по железнодорожным рельсам и таким образом увеличить сечение передающего проводника. Эксперименты Пироцкого с рельсами, конечно, привлекли к проблеме передачи электроэнергии внимание многих мировых ученых, так что они стали искать более рациональное решение. 

Братья Сименсы, вдохновлённые идеями Федора Пироцкого, в 1881 году запустили первый электрический трамвай по маршруту Берлин — Лихтерфельд. Так или иначе, позже для всех стало очевидным, что лучше повышать напряжение, а не увеличивать сечение проводов. 

В 1880 году профессор Дмитрий Лачинов предоставил убедительные и однозначные расчётные доказательства того, что экономически выгоднее будет все же повышать напряжение, а не уменьшать сопротивление линии. 

Позже, в 1881 году, французский инженер Марсель Депре на выставке в Париже реально продемонстрировал передачу электричества от экспериментальной динамо-машины постоянного тока.  Он предположил также, что по проводу диаметром 4 мм сможет передать электрическую мощность в 10 лошадиных сил (л.с.) на расстояние в 50 километров, при том, что мощность генератора будет равна 16 л.с. 

В 1882 году Депре воспользовался гидротурбиной на водопаде близ Мюнхена и передал от нее электричество на двигатель насоса, установленный на расстоянии 57 км внутри модели водопада на выставке.

Для передачи энергии использовалась бывшая в употреблении телефонная линия, а постоянное напряжение составляло 1,3 кВ. КПД оказался 25%.

Эксперименты Дерпе на этом не закончились. В 1883 году он построил 14-километровую линию, простирающуюся от гидротурбины на водопаде в городке Визиль – до города Гренобль, где необходимо было питать электроэнергией двигатели печатных станков. Мощность, забираемая от генератора, составила 11,5 л.с. Двигатели на другом конце потребляли 7 л.с. КПД получился 62%. 

4я веха

Спустя три года Ипполит Фонтен улучшил эту систему, предложив объединить последовательно четыре генератора постоянного тока, каждый по 25 л.с. и напряжением 1,5 кВ. В итоге получилось 100 л.с при напряжении в 6 кВ. Мощность нагрузки составила 50 л.с. 

Швейцарец Рэне Тюри далее оптимизировал схему Фонтена. Он мыслил следующим образом: нужно соединить последовательно не только источники, но и потребители. Причём потребители на приёмной стороне — это двигатели, вращающие генераторы. 

В 1893 году заработала первая линия передачи системы Тюри длиной 60 км в Генуе. Напряжение передачи достигало 14 кВ при мощности в 1260 л.с. Позже он построил самую протяженную свою линию Мутье — Лион длиной в 180 км. Напряжение на линии составило 57 кВ, а мощность - 5 МВт. 

Мощность потребления можно было изменять путём варьирования соединённых последовательно генераторов, максимальное количество которых - 16. Генераторы на передающей стороне могли переключаться при помощи специальных коммутаторов.  К 1923 году напряжение линии Тюри доходило до 125 кВ, а мощность — до 20 МВт, протяжённость проводов была увеличена до 220 км. 

5я веха: от постоянного тока — к переменному току

Так или иначе, недостатки передачи электроэнергии на постоянном токе к концу 19 века стали очевидными. Начались работы по использованию тока переменного. 

Переменный ток оказался гораздо практичнее постоянного с точки зрения передачи электроэнергии на расстояние. Можно легко повышать переменное напряжение при помощи трансформатора, подавать его на линию, а на приёмной стороне — так же, при помощи трансформатора, понижать напряжение без всяких высоковольтных моторов-генераторов, снижающих КПД. 

И в 1884 году Люсьен Голар реализовал первую дальнюю передачу электроэнергии на переменном токе. Это было в Турине. Длина передающей линии составляла 40 километров, напряжение 2 кВ, мощность 20 кВт. В этом же году в Российской Империи генерация переменного тока начинала выходить на государственный уровень. 

С 1885 года активно разрабатывались трансформаторы. В Царском Селе в 1890 году сеть постоянного тока протяжённостью 64 км была впервые переведена на однофазный переменный ток. В 1897 году в одесском Оперном театре электрические лампы питались переменным напряжением 2 кВ.

6я веха

Цементный завод на берегу реки Неккар в немецком городе Лауфен получал энергию от близлежащего водопада. Часть энергии, получаемой от водопада, владельцы завода решили продавать, поставляя электричество во Франкфурт-на-Майне, расположенный на расстоянии в 175 км от завода. Для передачи стали использовать трёхфазные электрические цепи. Год ввода линии в эксплуатацию — 1891 г. 

Три водяные турбины по 300 л.с. каждая вращали через редуктор генератор переменного тока. Три провода линии были подвешены на столбах высотой 8 м и закреплены на изоляторах. Напряжение составляло 8,5 кВ. На приёмной стороне напряжение понижалось трансформатором до 65 вольт и использовалось для питания освещения и двигателей. КПД составлял 75%. 

Изобретённые в начале 20 века подвесные изоляторы позволили повысить напряжение при передаче до 110 кВ. Первые электростанции на такое напряжение появились в период с 1908 по 1912 годы в США и Германии.