ЧАСТИНА 2. Об’єднані енергосистеми та енергоутворення

Наприкінці XIX століття при спорудженні перших промислових систем передачі електричної енергії на значні відстані була розроблена й удосконалена величезна кількість нових технічних рішень. Зокрема, в процесі експлуатації лінії електропередачі Лауфен – Франкфурт-на-Майні був отриманий безцінний досвід організації передачі електричного струму з використанням повітряної лінії, виконаної неізольованими проводами на дерев'яних опорах.

Перші повітряні лінії електропередачі, призначені для вуличного й квартирного електричного освітлення, проходили дахами будинків і складалися з металевого дроту, прикріпленого до дерев'яних тичин. Однак незабаром було виявлено, що під час дощу мокрі тичини давали можливість струму йти із дроту, і чим довша була лінія, тим більше побічних шляхів знаходив собі струм, і тим слабкіше ставала та його частина, що досягала кінця лінії. Це викликало необхідність ізолювати дріт від тичин у місцях кріплення. Перші промислові ізолятори Кларка (мал. 11.10) з'явилися в 40-х роках XIX століття й використовувалися при прокладці міських телеграфних і телефонних мереж. Ізолятори були виготовлені з глазурованої глини й мали форму, яка перешкоджала потраплянню дощу до місця з’єднання із дротом. Зокрема, фаянсову основу ізолятора Кларка було прикріплено до горизонтальної дерев'яної поперечини, пригвинченої до стовпа. Додатковий захист від вогкості являв собою бляшану кришку, що покривала верхню частину фаянсової основи.Мал. 11.10. Перші промислові ізолятори Кларка

 Мал. 11.11. Дзвоноподібний ізолятор Сіменса

Зі збільшенням довжини повітряних телефонних і телеграфних ліній зростали й вимоги до діелектричних властивостей ізоляторів. Конструкція першого дзвоноподібного ізолятора (мал. 11.11) була запропонована Сіменсом в 1848 р. Такий ізолятор виготовлявся з порцеляни, обпаленої глини або скла й з початку 50-х років XIX століття широко використовувався в Європі й Америці. У 1856 р. Кларк одержав привілей на вдосконалений ізолятор Сіменса. Внутрішня поверхня ізолятора мала більш складний «двохюбочний» профіль (мал. 11.12), в якому обмін повітря був утруднений, що перешкоджало проникненню вологи й пилу. Такі ізолятори в другій половині XIX століття були повсюдно поширені в Європі й стали використовуватися при спорудженні перших повітряних ліній електропередачі.Мал. 11.12. «Двохюбочний» ізолятор

Проводи перших повітряних телеграфних ліній виготовлялися зі звичайного залізного оцинкованого дроту, перетин якого визначався як електричними (сила струму, що проходить по дроту, й опір лінії), так і механічними (умови прокладання й довжина прогонів між опорами) параметрами. Згодом замість такого металевого дроту почали застосовувати також і дріт із чистої міді, який проводить струм набагато краще від залізного, і, отже, може бути меншого перетину, а, крім того, не іржавіє. Недоліком мідного дроту була його значно менша механічна міцність і здатність витягатися. Крім того, уже в ті часи він значно більше, ніж залізний, спокушав охочих до чужої власності.

Значний прогрес у справі спорудження повітряних ліній був досягнутий із застосуванням алюмінієвих проводів. При цьому значно знижувалася вага проводів і навантаження на опори ліній. У міру зниження вартості алюміній поступово витісняв мідь і став основним матеріалом при спорудженні силових ліній електропередачі.

У процесі будівництва перших високовольтних ліній електропередачі був отриманий також величезний досвід з технології монтажу опор і проводів. Були винайдені різні вороти й тяги для монтажу проводу на опорах (мал. 11.13), а також способи механічного зрощування проводів і прикріплення їх до ізоляторів (мал. 11.14).

Перші опори повітряних ліній електропередачі, як і телеграфно-телефонних ліній зв'язку, в основному являли собою дерев'яні стовпи, просочені розчином мідного купоросу або дьогтем. Для просочення дьогтем попередньо висушені штучним способом стовпи поміщалися у великий заповнений дьогтем казан, який герметично закривався. З казану за допомогою потужних насосів відкачувалося повітря, а після цього підвищувався тиск. Дьоготь заповнював пори деревини, перешкоджаючи розмноженню мікроорганізмів, що викликають гниття. При прокладанні повітряних ліній у населених пунктах використовувалися також металеві опори, які мають більш легку й витончену форму.

У тих випадках, коли проводи ліній електропередачі проходили не в повітрі, а по всій своїй довжині стикалися з яким-небудь твердим тілом (земля, стіни будинків і т. ін.), їх необхідно було покривати ізоляційною оболонкою з непровідної речовини, що перешкоджає струму знаходити собі шляхи витоку з поверхні проводу. Це, природно, значно збільшувало вартість проводу, однак було єдиним засобом забезпечення електричної ізоляції. Забезпечення захисту проводів від вологи при відповідній механічній міцності й незначній товщині ізоляції, яка становить одну десяту або навіть одну двадцяту частину діаметра самого проводу, виявилося досить складною технічною проблемою.Мал. 11.13. Вороти й тяги для монтажу проводу на опорахМал. 11.14. Способи механічного зрощування проводів і прикріплення їх до ізоляторів

Мал. 11.15. Обмотувальні машини для ізолювання проводів

Найпростіший спосіб ізолювання полягав в обмотуванні проводів шаром бавовняної, джутової, шовкової або конопляної ізолюючої нитки. Перші обмотувальні машини для ізолювання проводів (мал. 11.15) були розроблені в Берліні на фірмі Штейна. Згодом ізоляційне обплетення стали виконувати не з ниток, а із пласких стрічок, а, крім того, для поліпшення ізоляційних властивостей при застосуванні підвищених напруг почали використовувати стрічкове намотування в кілька шарів. Загальний вид машини для подвійного стрічкового обплетення наведений на мал. 11.16.

Спочатку основними матеріалами для просочення ізоляційних ниток і стрічок були бджолиний віск й озокерит. Останній мав відмінні ізолюючі властивості, однак легко кришився, що призводило до втрати ізолюючих властивостей навіть при незначних механічних навантаженнях. Дуже якісна ізоляція виходила при використанні гутаперчі – згущеного соку дерев, що ростуть у Сингапурі й на острові Борнео. При нагріванні гутаперча розм'якшувалася, робилася пластичною й легко могла бути використана в пресувальних машинах (мал. 11.17) для створення ізолюючої оболонки. Ізоляція з гутаперчі не боялася вологи й зберігала свої діелектричні властивості невизначено довгий час. Однак при цьому особливу увагу необхідно було приділяти якості гутаперчевої сировини, тому що навіть невелика кількість домішок значно погіршувала ізолюючі властивості матеріалу. Не менш якісна ізоляція проводів виконувалася з каучуку, однак на відміну від гутаперчі каучук перед використанням як ізоляція піддавався вулканізації, тобто змішуванню із сіркою при одночасному підігріванні. При цьому сірка вступала з ним у хімічну сполуку. Така ізоляція значно краще, ніж сирий каучук, протистояла окиснюючому впливу повітря, дії води або нагріванню.Мал. 11.16. Машина для подвійного стрічкового обплетення

 Мал. 11.17. Пресувальна машина для покриття проводу гутаперчею

Гутаперчева або каучукова ізоляція проводів була гарним ізолятором, але тільки доти, доки не порушувалася її цілісність. На жаль, з часом на відкритому повітрі така ізоляція поступово висихала й ставала крихкою, а у воді її руйнували тварини. Ця обставина змусила звернутися електротехніків до тисячолітнього досвіду людства, що використовувало свинець як головний ізолятор від вологи при будівництві, наприклад, протяжних водоводів. Спочатку для покриття свинцевою оболонкою проводів, обплетених внутрішньою нитяною або стрічковою ізоляцією, їх просмикували крізь свинцеву трубу довжиною 50–60 метрів, після чого окремі шматки труб спаювали. Однак якість проводів, покритих зовнішньою свинцевою ізоляцією таким способом, виявилася незадовільною ще й тому, що між самим проводом і його свинцевою оболонкою нерідко залишалася волога, що згодом руйнувала внутрішню ізоляцію.

Мал. 11.18. Прес для вироблення освинцьованих проводів і кабелів

Для виготовлення перших силових кабелів, використовуваних у міських системах розподілу електричної енергії, яка вироблялася центральними електричними станціями, швейцарськими електротехніками був розроблений спосіб покриття проводів і силових кабелів свинцевою ізоляцією аналогічно покриттю їх гутаперчею, тобто шляхом пресування. Такий спосіб давав не тільки повне прилягання свинцевої оболонки до проводу, але й усував необхідність спаювання окремих частин оболонки. Загальний вигляд пресу для вироблення освинцьованих проводів і кабелів, виготовленого фірмою «Grusonwerk» у Магдебурзі, показано на мал. 11.18. Для підвищення надійності й усунення проникнення вологи через свинцеву оболонку високовольтного кабелю, що має іноді мікроскопічні отвори через потрапляння до свинцю піщинок, нерідко виконували подвійне свинцеве покриття. Для захисту від механічних ушкоджень свинцеве покриття часто-густо захищали бронею – додатковим навиванням зверх свинцевої оболонки залізних дротів або стрічок, що роблять кабель значно менш сприйнятливим до зовнішніх механічних навантажень.

Загальний вигляд перших одножильних кабелів, що були розроблені і вироблялися у період 50–70-х років XIX століття та використовувалися як для підземного, так і для підводного прокладання, наведено на мал. 11.19.

Потреба у постійному збільшенні необхідної довжини ліній і передаваної потужності змушувала інженерів-електротехніків шукати нові шляхи подолання недоліків, властивих системі передачі енергії постійним струмом. Синхронні генератори й асинхронні електродвигуни змінного струму були значно більш економічними й надійними апаратами, ніж динамо-машини постійного струму.

Величезна заслуга в здійсненні проектів перших великих систем передачі електричної енергії на змінному струмі належить відомому вченому М.О. Доліво-Добровольському – винахідникові трьохстрижневого трансформатора й трифазного електричного двигуна. М.О. Доліво-Добровольський у своїх працях показав, що оптимальною є трифазна система струмів, здатна створювати обертове магнітне поле. Працюючи в провідній німецькій електротехнічній фірмі АЕG, Доліво-Добровольський в 1889 р. побудував перший трифазний асинхронний двигун з фазним ротором потужністю 100 Вт, а в 1890 р. виготовив двигун з короткозамкненим ротором потужністю 3,7 кВт. У цей же період Доліво-Добровольський робить винахід трифазного трансформатора й трифазної електричної мережі з нульовим проводом.

Мал. 11.19. Загальний вигляд перших одножильних кабелів: а – кабель Довер Калаїса 1851 р.; б – перший трансатлантичний кабель 1857 р.; в – другий трансатлантичний кабель 1865 р.; г – підземний кабель між Берліном і Галле 1876 р.

Ізолятори ліній електропередач

У 1889 р. він продемонстрував розроблену ним дослідну установку трифазного змінного струму й систему сполучення проводів у «зірку» й «трикутник». У цьому ж році на Міжнародному конгресі електриків він показав всі переваги методу трактування змінного струму як такого, що має дві складові – «робочу», або «активну», яка збігається по фазі з напругою, і «безватну», або «реактивну», повернену щодо напруги на 90°. У 1900 році Доліво-Добровольський брав участь у Першому всеросійському електротехнічному з'їзді в Петербурзі, де виступив з великою доповіддю «Про сучасний розвиток техніки трифазного струму». У цій же доповіді він дуже обґрунтовано й докладно описав всі переваги застосування трифазних динамомашин і двигунів трифазного струму.

Таким чином, початок XX століття ознаменувався в електротехніці все більш широким застосуванням системи змінного струму для передачі й розподілу електричної енергії. А після винаходу в 1912 р. у Німеччині підвісних ізоляторів лінії електропередачі змінного струму отримали масове поширення.