11.2. Перші системи передачі електроенергії постійним струмом

Історію передачі електричної енергії на відстань можна почати з 1873 р., коли на виставці в м. Відні французький електротехнік Іполіт Фонтен здійснив першу передачу потужності в 1 кінську силу (тобто близько 0,7 кВт) по лінії довжиною 4 км із використанням постійного струму. Було потрібно знайти способи збільшення дальності передачі з економічно прийнятним коефіцієнтом корисної дії. Із закону Джоуля – Ленца відомо, що втрати потужності в проводах пропорційні опору проводів і квадрату струму лінії або, що те ж саме, обернено пропорційні площі поперечного перерізу проводів і квадрату напруги. Отже, втрати в лінії могли бути зменшені або за рахунок збільшення перерізу проводів, або за рахунок підвищення напруги.

У 70-х роках XIX ст. був досліджений перший шлях, тому що збільшення перерізу провідників уявлялося технічно легше здійсненним, ніж підвищення напруги. Відомі досліди російського військового інженера штабс-капітана Ф. А. Піроцького, що в 1875 р. запропонував використати як провідники залізничні рейки, переріз яких в 600 разів перевищував переріз телеграфного проводу. Дослід, проведений на недіючій вітці Сестрорецької залізниці, дозволив передати електроенергію на відстань близько 1 км. Незважаючи на нераціональність практичного напрямку, обраного Піроцьким, його досліди привернули увагу до проблеми передачі енергії й сприяли виявленню правильного шляху для вирішення проблеми підвищення напруги ліній електропередачі.

У 1880 р. професор фізики Петербурзького лісного інституту Д.А. Лачинов (1845–1902) на основі математичних вирахувань показав, що для збереження к.к.д. передачі при збільшенні опору (тобто довжини) лінії в n раз необхідно підняти напругу на генераторі в раз. До подібних же висновків прийшов через рік французький інженер Марсель Депре (1843–1918), якому належить заслуга практичного вирішення питань передачі енергії постійним струмом за рахунок підвищення напруги. Депре одним з перших почав систематичні експерименти з передачі електричної енергії на значні відстані. Вже на Електричній виставці в Парижі в 1881 р. він продемонстрував невелику установку передачі й розподілу електричної енергії від однієї динамо-машини постійного струму.

На Міжнародному конгресі електриків, що зібрався в Парижі під час проведення виставки, Депре висловив припущення, що звичайним телеграфним проводом діаметром 4 мм можна передавати на відстань до 50 км потужність в 10 к.с. при потужності генератора в 16 к.с. Для здійснення такого експерименту на практиці комітет Мюнхенської електротехнічної виставки 1882 р. запропонував Депре скористатися водоспадом у містечку Місбах біля Мюнхена. Відстань між гідротурбіною й двигуном дорівнювала 57 км. Незважаючи на багато істотних недоліків, перший дослід передачі електричної енергії на значну відстань можна вважати успішним. Зокрема, для подолання великого опору телеграфної лінії Депре довелося збільшити початкову напругу електропередачі до 1300 В. К.к.д. електропередачі склав 25%.

У 1876 р. німецький промисловець Вернер Сіменс, відвідавши Ніагарський водопад, правильно оцінив енергетичні можливості його використання, але стверджував, що для передачі енергії водопаду на відстань 50 км буде потрібна лінія з мідним проводом діаметром 75 мм.

Мал. 11.1. Схема Тюрі: Г- – генератор постійного струму;Д – двигун постійного струму; Г~ – генератор змінного струму; Т – трансмісія

У 1883 р. Депре спорудив другу дослідну установку на ділянці Візиль – Гренобль (Франція) довжиною 14 км. На водоспаді у Візилі була встановлена гідротурбіна з генератором постійного струму високої напруги потужністю 11,5 к.с. К.к.д. електропередачі склав 62%. Енергія, передана в Гренобль (близько 7 к.с.), використовувалася для обертання електродвигунів друкарських машин.

У 1886 р. Фонтен удосконалив установку Депре. З'єднавши послідовно 4 динамо-машини постійного струму потужністю по 25 к.с. кожна з генераторною напругою в 1500 В, він одержав потужне джерело в 100 к.с. напругою в 6 кВ. При цьому наприкінці електропередачі корисна потужність становила до 50 к.с. Недоліком такого методу було те, що при виході з ладу одного генератора припинялася робота всієї установки.

Швейцарський інженер Рене Тюрі запропонував передавати електричну енергію постійним струмом при послідовному включенні в лінію передачі джерел і приймачів енергії. Цей спосіб, названий системою Тюрі, забезпечив розвиток електропередачі постійного струму поряд з електропередачею змінного струму.

Тюрі вдало реалізував пропозицію Фонтена, увівши до системи автомат, що від'єднував непрацюючу машину й замикав потім розірване коло. На прийомному кінці передачі встановлювалися послідовно включені двигуни, що приводили в дію генератори низької напруги або трансмісію (мал. 11.1). Перша установка по системі Тюрі була пущена в Генуї (Італія) в 1893 році. Спочатку вона працювала на напрузі 6 кВ, а потім напругу було збільшено до 14 кВ при початковій потужності 1260 к.с. Загальна довжина ліній електропередачі сягала 60 км.

Найбільш протяжною лінією постійного струму, побудованою Тюрі, була лінія довжиною 180 км від гідростанції Мутьє до Ліона. Напруга між полюсами лінії становила 57 кВ, а передавана потужність – 5 МВт. При цьому струм у лінії підтримувався незмінним, а навантаження змінювалося за рахунок кількості послідовно включених машин (число яких доходило до 16!) або величини напруги. Лінія Мутьє – Ліон працювала дуже надійно протягом 30 років. В останні роки експлуатації її довжина була збільшена до 220 км, а напруга електропередачі зросла до 125 кВ при передаваній потужності до 20 МВт. Згодом в Європі були побудовані ще кілька ліній постійного струму по системі Тюрі. Одна з таких ліній була споруджена в Батумі.

Досвід створення ліній електропередачі на постійному струмі наприкінці XIX століття виявив істотні недоліки подібних систем, які полягали в тому, що передача електроенергії на генераторній напрузі лімітувалася низькими межами, а постійний струм високої напруги складно використати у споживача, тому що потрібно мати двигун – генераторну установку для його перетворення в струм низької напруги.