11.5. Усовершенствование конструкции линий электропередачи

В конце XIX века при сооружении первых промышленных систем передачи электрической энергии на значительные расстояния было разработано и усовершенствовано огромное количество новых технических решений. В частности, в процессе эксплуатации электропередачи Лауфен – Франкфурт-на-Майне был получен бесценный опыт организации передачи электрического тока с использованием воздушной линии, выполненной неизолированными проводами на деревянных опорах.

Первые воздушные линии электропередачи, предназначенные для уличного и квартирного электрического освещения, проходили по крышам домов и состояли из металлической проволоки, прикрепленной к деревянным шестам. Однако вскоре было обнаружено, что при дожде мокрые шесты давали току возможность уходить из проволоки, и чем длиннее была линия, тем больше побочных путей находил себе ток и тем слабее становилась та его часть, которая достигала конца линии. Это вызвало необходимость изолировать проволоку от шестов в местах крепления. Первые промышленные изоляторы Кларка (рис. 11.10) появились в 40-х годах XIX века и использовались при прокладке городских телеграфных и телефонных сетей. Изоляторы были изготовлены из глазированной глины и имели форму, препятствующую попаданию дождя к месту соединения с проволокой. В частности, фаянсовое основание изолятора Кларка было прикреплено к горизонтальной деревянной перекладине, привинченной к столбу. Дополнительная защита от сырости представляла собой жестяную крышку, покрывающую верхнюю часть фаянсового основания.

Рис. 11.10. Первые промышленные изоляторы Кларка

Рис. 11.11. Колоколообразный изолятор Сименса

С увеличением протяженности воздушных телефонных и телеграфных линий возрастали и требования к диэлектрическим свойствам изоляторов. Конструкция первого колоколообразного изолятора (рис. 11.11) была предложена Сименсом в 1848 г. Такой изолятор изготавливался из фарфора, обожженной глины либо стекла и с начала 50-х годов XIX века широко использовался в Европе и Америке. В 1856 г. Кларк получил привилегию на усовершенствованный изолятор Сименса. Внутренняя поверхность изолятора имела более сложный «двухюбочный» профиль (рис. 11.12), в котором обмен воздуха был затруднен, что препятствовало проникновению влаги и пыли. Такие изоляторы во второй половине XIX века были повсеместно распространены в Европе и стали использоваться при сооружении первых воздушных линий электропередачи.

Рис. 11.12. «Двухюбочный» изолятор

Провода первых воздушных телеграфных линий изготавливались из обычной железной оцинкованной проволоки, сечение которой определялось как электрическими (сила тока, проходящего по проводу, и сопротивление линии), так и механическими (условия прокладки и длина пролетов между опорами) параметрами. Впоследствии вместо металлический проволоки стали применять также и проволоку из чистой меди, которая проводит ток гораздо лучше железной и, следовательно, может быть меньшего сечения, а, кроме того, не ржавеет. Недостатками медной проволоки были ее значительно меньшая механическая прочность и способность вытягиваться, причем уже в то время она значительно больше, чем железная, соблазняла любителей чужой собственности.

Значительный прогресс в деле сооружения воздушных линий был достигнут с применением алюминиевых проводов. При этом значительно уменьшались вес проводов и нагрузка на опоры линий. По мере снижения стоимости алюминий постепенно вытеснял медь и стал основным материалом при сооружении силовых линий электропередачи.

В процессе строительства первых высоковольтных линий электропередачи был получен также огромный опыт в технологии монтажа опор и проводов. Были изобретены различные вороты и тяги для монтажа провода на опорах (рис. 11.13), а также способы механического сращивания проводов и прикрепления их к изоляторам (рис. 11.14).

Первые опоры воздушных линий электропередачи, как и телеграфно-телефонных линий связи, в основном представляли собой деревянные столбы, пропитанные раствором медного купороса или дегтем. Для пропитки дегтем предварительно высушенные искусственным способом столбы помещались в большой заполненный дегтем котел, который герметически закрывался. Из котла с помощью мощных насосов откачивался воздух, а после этого повышалось давление. Деготь заполнял поры древесины, препятствуя размножению микроорганизмов, вызывающих гниение. При прокладке воздушных линий в населенных пунктах использовались также металлические опоры, имеющие более легкую и изящную форму.

Рис. 11.13. Вороты и тяги для монтажа провода на опорах

Рис. 11.14. Способы механического сращивания проводов и прикрепления их к изоляторам

Рис. 11.15. Обматывающие машины для изолировки проводов

В тех случаях, когда провода линий электропередачи проходили не в воздухе, а по всей своей длине соприкасались с каким-либо твердым телом (земля, стены зданий и т.п.), их необходимо было покрывать изоляционной оболочкой из непроводящего вещества, препятствующего току находить себе пути утечки с поверхности провода. Это, естественно, значительно увеличивало стоимость провода, однако являлось единственным способом обеспечения электрической изоляции. Обеспечение защиты проводов от влаги при соответствующей механической прочности и незначительной толщине изоляции, составляющей одну десятую или даже одну двадцатую часть диаметра самого провода, оказалось достаточно сложной технической проблемой.

Самый простой способ изолирования заключался в обматывании проводов слоем хлопчатобумажной, джутовой, шелковой или пеньковой изолирующей нити. Первые обматывающие машины для изолировки проводов (рис. 11.15) были разработаны в Берлине на фирме Штейна. Впоследствии изоляционную оплетку стали выполнять не из ниток, а из плоских лент, а, кроме того, для улучшения изоляционных свойств при применении повышенных напряжений стали использовать ленточную намотку в несколько слоев. Общий вид машины для двойной ленточной оплетки приведен на рис.11.16.

Первое время основными материалами для пропитки изоляционных нитей и лент являлись пчелиный воск и озокерит. Последний обладал отличными изолирующими свойствами, однако легко крошился, что приводило к потере изолирующих свойств даже при незначительных механических нагрузках. Очень качественная изоляция получалась при использовании гуттаперчи – сгущенного сока деревьев, растущих в Сингапуре и на острове Борнео. При нагревании гуттаперча размягчалась, делалась пластичной и легко могла быть использована в прессовальных машинах (рис. 11.17) для создания изолирующей оболочки. Изоляция из гуттаперчи не боялась влаги и сохраняла свои диэлектрические свойства неопределенно долгое время. Однако при этом особое внимание необходимо было уделять качеству гуттаперчевого сырья, так как даже небольшое количество примесей значительно ухудшало изолирующие свойства материала. Не менее качественная изоляция проводов выполнялась из каучука, однако в отличие от гуттаперчи каучук перед использованием в качестве изоляции подвергался вулканизации, то есть смешению с серой при одновременном подогревании. При этом сера вступала с ним в химическое соединение. Такая изоляция значительно лучше, чем сырой каучук, противостояла окисляющему влиянию воздуха, действию воды или нагреванию.

Рис. 11.16. Машина для двойной ленточной оплетки

Рис. 11.17. Прессовальная машина для покрытия провода гуттаперчей

Гуттаперчевая или каучуковая изоляция проводов являлась хорошим изолятором, но только до тех пор, пока не нарушалась ее целостность. К сожалению, со временем на открытом воздухе такая изоляция постепенно высыхала и становилась хрупкой, а в воде ее разрушали животные. Это обстоятельство заставило обратиться электротехников к тысячелетнему опыту человечества, использовавшего свинец в качестве главного изолятора от влаги при строительстве, например, протяженных водоводов. Первоначально для покрытия свинцовой оболочкой проводов, оплетенных внутренней нитяной или ленточной изоляцией, их продевали сквозь свинцовую трубу длиной 50 – 60 метров, после чего отдельные куски труб спаивали. Однако качество проводов, покрытых наружной свинцовой изоляцией таким способом, оказалось неудовлетворительным еще и потому, что между самим проводом и его свинцовой оболочкой нередко оставалась влага, со временем разрушающая внутреннюю изоляцию.

Рис. 11.18. Пресс для выделки освинцованных проводов и кабелей

Для изготовления первых силовых кабелей, используемых в городских системах распределения электрической энергии, вырабатываемой центральными электрическими станциями, швейцарскими электротехниками был разработан способ покрытия проводов и силовых кабелей свинцовой изоляцией аналогично покрытию их гуттаперчей, т.е. путем прессования. Такой способ давал не только полное прилегание свинцовой оболочки к проводу, но и устранял необходимость спаивания отдельных частей оболочки. Общий вид пресса для выделки освинцованных проводов и кабелей, изготовленного фирмой «Grusonwerk» в Магдебурге, показан на рис. 11.18. Для повышения надежности и устранения проникновения влаги через свинцовую оболочку высоковольтного кабеля, имеющую иногда микроскопические отверстия из-за попадания в свинец песчинок, нередко выполняли двойное свинцовое покрытие. Для защиты от механических повреждений свинцовое покрытие нередко защищали броней – дополнительной навивкой поверх свинцовой оболочки железных проволок или лент, делающих кабель значительно менее восприимчивым к внешним механическим нагрузкам.

Общий вид первых одножильных кабелей, разработанных и производимых в период 50–70-х годов XIX века и используемых как для подземной, так и для подводной прокладки, приведен на рис. 11.19.

Необходимость постоянного увеличения требуемой длины линий и передаваемой мощности заставляла инженеров-электротехников искать новые пути преодоления недостатков, свойственных системе передачи энергии постоянным током. Синхронные генераторы и асинхронные электродвигатели переменного тока были значительно более экономичными и надежными аппаратами, чем динамо-машины постоянного тока.

Рис. 11.19. Общий вид первых одножильных кабелей: а) – кабель Довер-Калаиса 1851 г.; б) – первый трансатлантический кабель 1857 г.; в) – второй трансатлантический кабель 1865 г.; г) – подземный кабель между Берлином и Галле 1876 г.

Огромная заслуга в осуществлении проектов первых крупных систем передачи электрической энергии на переменном токе принадлежит русскому ученому М.О. Доливо-Добровольскому – изобретателю трехстержневого трансформатора и трехфазного электрического двигателя. М.О. Доливо-Добровольский в своих трудах показал, что оптимальной является трех фазная система токов, способная создавать вращающееся магнитное поле. Работая в ведущей немецкой электротехнической фирме АЕG, Доливо-Добровольский в 1889 г. построил первый трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором мощностью 100 Вт, а в 1890 г. изготовил двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 3,7 кВт. К этому же периоду относится изобретение Доливо-Добровольским трехфазного трансформатора и трехфазной электрической сети с нулевым проводом.

Изоляторы линии электропередач

В 1889 г. он продемонстрировал разработанную им опытную установку трехфазного переменного тока и систему соединений проводов в «звезду» и «треугольник». В этом же году на Международном конгрессе электриков он показал все преимущества метода трактовки переменного тока как состоящего из двух составляющих – «рабочей», или «активной», которая совпадает по фазе с напряжением, и «безваттной», или «реактивной», повернутой относительно напряжения на 90°. В 1900 г. Доливо-Добровольский принимал участие в Первом всероссийском электротехническом съезде в Петербурге, где выступил с большим докладом «О современном развитии техники трехфазного тока». В этом же докладе он очень обоснованно и подробно описал все преимущества применения трехфазных динамо-машин и двигателей трехфазного тока.

Таким образом, начало XX века ознаменовалось в электротехнике все более широким применением системы переменного тока для передачи и распределения электрической энергии. А после изобретения в 1912 г. в Германии подвесных изоляторов линии электропередачи переменного тока получили массовое распространение.