11.3. Передача електроенергії змінним струмом

Значний прогрес у технології передачі електричної енергії на великі відстані було досягнуто в середині 80-х років XIX століття з початком використання змінного струму. Було встановлено, що одержання струму високої напруги безпосередньо від динамомашини змінного струму досягається значно легше, ніж від динамо-машини постійного струму. Крім того, необхідну високу напругу електропередачі можна одержувати не в самій динамо-машині, а за допомогою підвищувального трансформатора, що значно простіше й ефективніше. При цьому наприкінці електропередачі може бути встановлений знижувальний трансформатор для зворотного зниження напруги.

Перший дослід електропередачі змінним струмом був здійснений Л. Голардом (1850– 1888) в 1884 р. в Турині. У цьому досліді були використані трансформатори, які підвищували напругу до 2 кВ. Довжина лінії становила 40 км і по ній передавалася потужність 20 кВт.

Наприкінці 80-х років XIX століття найбільші установки однофазного змінного струму були побудовані в Росії й Україні. В Одесі (1887 р.) від мережі змінного струму напругою 2000 В через трансформатори живилися електролампи в Оперному театрі й у приватних будинках. У тому ж році в Царському Селі (нині м. Пушкін) під Петербургом почалася експлуатація електростанції постійного струму. Довжина повітряної мережі була 64 км. У 1890 р. станція й повітряна мережа були реконструйовані й переведені на однофазний змінний струм напругою 2000 В. Царське Село (за свідченням сучасників) було першим містом в Європі, яке було освітлене винятково електрикою.

Мал. 11.2. Лінія передачі однофазного змінного струму у Портленді (1889 р.) 

З 1882 р. почали будуватися генератори англійського інженера Дж. Гордона (1852–1893). У 1885 р. угорськими електротехніками О. Блаті, М. Дері та К. Циперновським був розроблений промисловий трансформатор із замкнутою магнітною системою, який почав випускатися на заводі у Будапешті. Це відкрило можливість одержувати необхідну високу напругу на початку електропередачі на підвищувальному трансформаторі поза динамомашиною, що виявлялося простіше й ефективніше. При цьому наприкінці електропередачі низьку напругу в споживачів можна було одержувати за рахунок установлення знижувального трансформатора.

Мал. 11.3. Конструкція первинної станції в Лауфені на Неккарі

У 1889 р. у США була побудована лінія промислової електропередачі однофазного струму довжиною 28 км від гідростанції до освітлювальних установок у м. Портленді. На гідростанції були встановлені 19 генераторів, кожний з яких живив 100 ламп по окремому лінійному колу, бо синхронізація генераторів ще не здійснювалася. З мал. 11.2 легко зрозуміти, наскільки неекономічними за таких умов виявлялися електричні мережі, на спорудження яких витрачалися колосальні кількості провідникової міді й ізоляторів.

Невелике німецьке містечко Лауфен, розташоване на березі річки Неккар, зіграло значну роль в історії розвитку електротехніки. У ньому був цементний завод, до якого постачалася значна кількість водяної енергії від прилеглого водоспаду. При цьому завод міг використати лише невелику її частину. Дирекція заводу, знаючи про вдалі досліди з передачі електричної енергії на великі відстані, вирішила, що існує можливість продавати надлишок своєї водяної енергії промисловому Франкфурту-на-Майні, розташованому на відстані 175 км від Лауфена, у формі електричного струму. Оскар Міллер – творець всієї цієї, як на ті часи, грандіозної системи передачі електричної енергії – запропонував використати трифазний змінний струм, про який в той час тільки починали говорити, на що й дістав згоду заводської дирекції.

Мал. 11.4. Схема лінії електропередачі Лауфен – Франкфурт на Майні (1891 р.): Г – синхронний генератор; Т1 и Т2 – трансформатори

Напруга електропередачі Лауфен – Франкфурт-на-Майні з 15 кВ була незабаром підвищена до 30 кВ. У 1901 р. у США на р. Міссурі була побудована лінія електропередачі напругою 50 кВ, а до 1903 р. гранична напруга зросла до 60 кВ, передавана потужність – до 17 тис. кВт (Ніагара – Буффало), а дальність досягла 350 км.

Конструкція первинної станції в Лауфені на Неккарі показана на мал. 11.3, а схема електропередачі Лауфен – Франкфурт-наМайні наведена на мал. 11.4.

У 1891 р. система була введена в експлуатацію. Для одержання електричної енергії були встановлені три водяні турбіни по 300 к.с., з'єднані передавальним редуктором з динамо-машиною змінного струму (мал. 11.5). Лінія складалася із трьох мідних проводів, підвішених на стовпах висотою 8 м за допомогою особливої конструкції з порцелянових ізоляторів. Проводами передавався змінний струм напругою у 8500 В, одержуваний за допомогою первинного підвищувального трансформатора. У Франкфурті-наМайні наприкінці електропередачі напруга знижувалася до 65 В і використовувалася для живлення електродвигунів і ламп розжарювання. Коефіцієнт корисної дії такої електропередачі сягав 75%.

Вся подальша історія розвитку ліній електропередачі аж до кінця XX століття супроводжувалася збільшенням напруги, передаваних потужностей і довжини ліній. На першому етапі переважаючою по важливості проблемою було зменшення втрат у лініях, що вимагало підвищення напруги.

Подальше зростання номінальної напруги ліній електропередачі обмежувалося можливостями штирових ізоляторів, які використовувалися в той час і не дозволяли підняти напругу вище 70 кВ. Тільки винахід на початку ХХ століття підвісних ізоляторів дозволив різко збільшити напругу, що застосовувалася, і вже в 1908–1912 рр. в Америці й Німеччині були побудовані перші лінії електропередачі змінного струму напругою 110 кВ.

Додаткове утруднення на шляху зростання номінальної напруги виникло у зв'язку зі збільшенням втрат на корону (коронний розряд з поверхні проводів). Теоретичні дослідження показали, що зменшити втрати можна шляхом збільшення дійсного або «електричного» діаметра проводів. Перший напрямок привів до застосування алюмінієвих, стале-алюмінієвих і порожнистих проводів великого діаметру. Другий напрямок (запропонований В.Ф. Міткевичем в 1910 р.) привів до застосування розщеплених фаз, що складаються з декількох проводів.

Вдале завершення Лауфенського проекту, що довів принципову технічну можливість передачі електричної енергії на великі відстані, звернуло на себе увагу електротехніків в усьому світі, які намагалися вирішити складне технічне завдання використання величезної кількості дешевої водяної енергії й у першу чергу енергії падаючої води.

У 1889 р., тобто ще до здійснення Лауфенського проекту, створена в США компанія придбала права на використання енергії Ніагарського водопаду в розмірі 450 тис. к.с. з американської й канадської сторін. Отримана електрична енергія розподілялася по заводах, розташованих у районі м. Ніагари, а також використовувалася для міського електричного освітлення. Частина електричної енергії направлялася спеціально спорудженою лінією електропередачі в м. Буффало, для чого попередньо напруга підвищувалася до 22000 В з допомогою трансформаторів.

Мал. 11.5. Динамо машина змінного струму