11.2. Первые системы передачи электроэнергии постоянным током

Историю передачи электрической энергии на расстояние можно начать с 1873 г., когда на выставке в г. Вене французский электротехник Ипполит Фонтен осуществил первую передачу мощности в 1 л.с. (т.е. около 0,7 кВт) по линии длиной 4 км с использованием постоянного тока. Следовало найти способы увеличения дальности передачи с экономически приемлемым коэффициентом полезного действия. Из закона Джоуля–Ленца известно, что потери мощности в проводах пропорциональны сопротивлению проводов и квадрату тока линии или, что то же самое, обратно пропорциональны площади поперечного сечения проводов и квадрату напряжения. Следовательно, потери в линии могли быть уменьшены или за счет увеличения сечения проводов, или за счет повышения напряжения.

В 70-х годах XIX в. был исследован первый путь, так как увеличение сечения проводников представлялось технически легче осуществимым, чем повышение напряжения. Известны опыты русского военного инженера штабс-капитана Ф.А. Пироцкого, который в 1875 г. предложил использовать в качестве проводников железнодорожные рельсы, сечение которых в 600 раз превышало сечение телеграфного провода. Опыт, проведенный на бездействовавшей ветке Сестрорецкой железной дороги, позволил передать электроэнергию на расстояние около 1 км. Несмотря на нерациональность практического направления, избранного Пироцким, его опыты привлекли внимание к проблеме передачи энергии и способствовали выявлению правильного пути для решения проблемы повышения напряжения линий передачи.

В 1880 г. профессор физики Петербургского лесного института Д.А. Лачинов (1845– 1902) на основе математических выкладок показал, что для сохранения к.п.д. передачи при увеличении сопротивления (т.е. длины) линии вnраз необходимо поднять напряжение на генераторе враз. К подобным же выводам пришел спустя более года французский инженер Марсель Депре (1843–1918), которому принадлежит заслуга практического решения вопросов передачи энергии постоянным током за счет повышения напряжения. Депре одним из первых предпринял систематические опыты по передаче электрической энергии на большие расстояния. Уже на Электрической выставке в Париже в 1881 г. он продемонстрировал небольшую установку передачи и распределения электрической энергии от одной динамо-машины постоянного тока.

На Международном конгрессе электриков, который собрался в Париже во время проведения выставки, Депре высказал предположение, что по обыкновенному телеграфному проводу диаметром 4 мм можно передавать на расстояние до 50 км мощность в 10 л.с. при мощности генератора в 16 л.с. Для осуществления такого эксперимента на практике комитет Мюнхенской электротехнической выставки 1882 г. предложил Депре воспользоваться водопадом в местечке Мисбах близ Мюнхена. Расстояние между гидротурбиной и двигателем равнялось 57 км. Несмотря на многие существенные недостатки, первый опыт передачи электрической энергии на значительное расстояние можно считать успешным. В частности, для преодоления большого сопротивления телеграфной линии Депре пришлось увеличить начальное напряжение электропередачи до 1300 В. К.п.д. электропередачи составил 25%.

В 1876 г. немецкий промышленник Вернер Сименс, посетив Ниагарский водопад, правильно оценил энергетические возможности его использования, но утверждал, что для передачи энергии водопада на расстояние 50 км потребуется линия с медным проводом диаметром 75 мм.

Рис. 11.1. Схема Тюри: Г- – генератор постоянного тока; Д – двигатель постоянного тока; Г~ – генератор переменного тока; Т – трансмиссия

В 1883 г. Депре соорудил вторую опытную установку на участке Визиль – Гренобль (Франция), протяженностью 14 км. На водопаде в Визиле была установлена гидротурбина с генератором постоянного тока высокого напряжения мощностью 11,5 л.с. К.п.д. электропередачи составил 62%. Энергия, переданная в Гренобль (около 7 л.с.), использовалась для вращения электродвигателей печатных машин.

В 1886 г. Фонтен усовершенствовал установку Депре. Соединив последовательно 4 динамо-машины постоянного тока мощностью по 25 л.с. каждая с генераторным напряжением в 1500 В, он получил мощный источник в 100 л.с. напряжением в 6 кВ. При этом в конце электропередачи полезная мощность составляла до 50 л.с. Недостатком такого метода являлось то, что при выходе из строя одного генератора прекращалась работа всей установки.

Швейцарский инженер Рэне Тюри предложил передавать электрическую энергию постоянным током при последовательном включении в линию передачи источников и приемников энергии. Этот способ, названный системой Тюри, обеспечил развитие электропередачи постоянного тока наряду с электропередачей переменного тока.

Тюри удачно реализовал предложение Фонтена, введя в систему автомат, отсоединявший неработающую машину и замыкавший затем разорванную цепь. На приемном конце передачи устанавливались последовательно включенные двигатели, приводившие в действие генераторы низкого напряжения или трансмиссию (рис. 11.1).

Первая установка по системе Тюри была пущена в Генуе (Италия) в 1893 году. Сначала она работала на напряжении 6 кВ, а затем напряжение было увеличено до 14 кВ при начальной мощности 1260 л.с. Общая длина линий электропередачи достигала 60 км.

Наиболее крупной линией постоянного тока, построенной Тюри, была линия длиной 180 км от гидростанции Мутье до Лиона. Напряжение между полюсами линии составляло 57 кВ, а передаваемая мощность – 5 МВт. При этом ток в линии поддерживался неизменным, а нагрузка изменялась за счет количества последовательно включенных машин (число которых доходило до 16!) или величины напряжения. Линия Мутье – Лион работала очень надежно в течение 30 лет. В последние годы эксплуатации ее длина была увеличена до 220 км, а напряжение электропередачи возросло до 125 кВ при передаваемой мощности до 20 МВт. Впоследствии в Европе были построены еще несколько линий постоянного тока по системе Тюри. Одна из таких линий была сооружена в Батуми.

Опыт создания линий электропередачи на постоянном токе в конце XIX века выявил существенные недостатки подобных систем, заключающиеся в том, что передача электроэнергии на генераторном напряжении ограничена низкими пределами, а постоянный ток высокого напряжения сложно использовать у потребителя, так как нужно иметь двигатель– генераторную установку для его преобразования в ток низкого напряжения.