5.1.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ РАЙОННЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

5.1.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ РАЙОННЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Создание трехфазной системы — важнейший этап в развитии электротехники и электрификации. После закрытия Франкфуртской выставки электростанция в Лауфене перешла в собственность г. Хейльбронна, расположенного в 12 км от Лауфена и была пущена в эксплуатацию в начале 1892 г. На ней работали два одинаковых трехфазных синхронных генератора. Напряжение (фазное) при помощи трансформаторов повышалось с 50 до 5000 В. Электроэнергия использовалась для питания всей городской осветительной сети, а также ряда небольших заводов и мастерских. Понижающие трансформаторы устанавливались непосредственно у потребителей.

В том же 1892 г. была сдана в эксплуатацию линия Бюлах — Эрликон (Швейцария). У водопада в г. Бюлахе построили гидроэлектростанцию с тремя трехфазными генераторами мощностью 150 кВт каждый. Электроэнергия передавалась на расстояние 23 км для электроснабжения завода. Вслед за этими первыми установками началось довольно быстрое строительство ряда электростанций, причем наибольшее их число находилось в Германии.

Известные трудности в развитии электрификации на базе трехфазных систем возникали в связи с тем, что уже раньше в городах были построены станции постоянного или однофазного тока, а иногда и двухфазного. Владельцы и акционеры этих станций и электрических сетей всячески препятствовали внедрению трехфазной системы. Некоторым выходом явилось сочетание трехфазной электропередачи с распределением энергии на постоянном токе.

В Америке первая трехфазная установка была сооружена в конце 1893 г. в Калифорнии. Гидроэлектростанция располагала двумя генераторами мощностью по 250 кВт. От электростанции провели две линии генераторного напряжения (2500 В). Первая из них длиной 12 км поставляла энергию для осветительных целей, а вторая длиной 7,5 км предназначалась для питания трехфазного асинхронного двигателя мощностью 150 кВт.

Темпы внедрения трехфазной системы в Америке вначале были заметно ниже, чем в Европе. Это объясняется тем, что одна из крупнейших американских фирм — компания «Вестингауз» настойчиво пыталась развернуть работы по сооружению электростанций и электрических сетей по системе Теслы. Высшим достижением двухфазной системы считалась грандиозная по тому времени электростанция на Ниагарском водопаде, пущенная в эксплуатацию в 1896 г. На ней были установлены три двухфазных генератора по 5000 л.с. каждый с напряжением 2400 В. Вскоре началось расширение станции, и к началу XX столетия число агрегатов было увеличено до восьми, а общая мощность возросла до 40 000 л.с.

Американская фирма «Дженерал электрик», основной оппонент фирмы «Вестингауз», быстро переориентировалась и в противовес конкурирующей фирме развила бурную деятельность по сооружению трехфазных установок. Фирма «Вестингауз» проиграла: Ниагарская гидроэлектростанция со временем была переоборудована в трехфазную.

Для переходного периода в любой области техники характерны попытки комбинирования устаревающих и новых технических решений. Так, в течение почти двух десятилетий начиная с 1891 г. делались попытки «примирить» трехфазные системы с другими системами. В эти годы существовали электростанции, на которых одновременно работали генераторы постоянного, переменного однофазного тока, двухфазные и трехфазные или любая их комбинация. Напряжения и частоты были различными, потребители питались по раздельным линиям. Попытки спасти устаревающие системы, а вместе с ними и освоенное заводами электрооборудование, приводили к созданию комбинированных систем.

Наиболее известной из комбинированных систем является схема, предложенная в 1894 г. Скоттом. В основе этой схемы лежит так называемый «трансформатор Скотта», предназначенный для взаимного преобразования токов двухфазной и трехфазной систем.

Однако судьба комбинированных систем, равно и систем электроснабжения постоянным и однофазным переменным токами, была предрешена, и уже с 1901–1905 гг. сооружаются трехфазные электростанции, которые вначале в основном были станциями фабрично-заводского типа.

Трехфазная техника позволяла строить крупные электростанции на месте добычи топлива, на водопаде или на подходящей реке, а вырабатываемую энергию транспортировать по линиям электропередачи в промышленные районы и города. Такие электростанции стали называть районными.

Первые районные электростанции были построены во второй половине 90-х годов XIX в., а в следующем столетии они составили основу развития электроэнергетики. Первой районной электростанцией считают Ниагарскую ГЭС.

Широкий размах строительство районных электростанций приобрело с начала XX в. Этому способствовал рост потребления электроэнергии, связанный с внедрением в промышленность электропривода, развитием электрического транспорта и электрического освещения городов.

Электрические станции становились крупными промышленными предприятиями по выработке электроэнергии; сети разных станций объединялись, создавались первые энергетические системы. Под энергетической системой стали понимать совокупность электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии.

До появления районных электростанций электрических систем практически не было. Электростанции работали изолированно, каждая имела свою нагрузку. При изолированной работе станций не было большой необходимости устанавливать стандартные частоты и напряжения, и последние принимались в зависимости от конкретных условий данной станции. Последствия этого еще долго сказывались в некоторых странах, например, в США и Японии приходилось подключать на параллельную работу электростанции, работавшие при различных частотах (50 и 60 Гц). Потребность объединить работу нескольких электростанций в общую сеть стала проявляться уже в 90-х годах XIX в. Было выяснено, что при совместной работе уменьшается необходимый резерв на каждой станции в отдельности, появляется возможность ремонта оборудования без отключения основных потребителей, создаются условия для выравнивания графика нагрузки базисных станций, для более эффективного использования энергетических ресурсов.

Первое известное объединение двух трехфазных электростанций было осуществлено в 1892 г. в Швейцарии. Две небольшие электростанции — в г. Глэдфельдене (120 кВ?А) и г. Гохфельдене (360 кВ?А) — соединялись двухкилометровой линией напряжением 5 кВ и питали распределительную сеть завода фирмы «Эрликон» по линии передачи протяженностью 24 км при напряжении 13 кВ. Возбуждение генераторов первой станции регулировалось со щита управления второй.

Русские электротехники сумели быстро оценить достоинства трехфазной системы. Уже в январе 1892 г. на 4-й Петербургской электротехнической выставке демонстрировались две трехфазные машины системы Доливо-Добровольского мощностью по 15 кВт.

В России первым предприятием с трехфазным электроснабжением был Новороссийский элеватор. Он представлял собой грандиозное сооружение, и задача распределения энергии по его этажам и различным зданиям могла быть решена наилучшим образом только с помощью электричества. Строитель элеватора инженер А.Н. Щенснович решил применить только что ставшую известной трехфазную систему. Летом 1892 г. швейцарскому заводу фирмы «Броун-Бовери» были заказаны чертежи трехфазных машин. В следующем 1893 г. элеватор был электрифицирован. Интересно, что все машины по разработанным за границей проектам изготовлялись в собственных мастерских элеватора.

На электростанции, построенной рядом с элеватором, были установлены четыре синхронных генератора мощностью 300 кВ?А каждый. Таким образом, общая мощность электростанции составляла 1200 кВ?А, т.е. это была в то время самая мощная в мире трехфазная электростанция. В помещениях элеватора работали трехфазные двигатели мощностью 3,5–15 кВт, которые приводили в действие различные машины и механизмы. Часть энергии использовалась для освещения.

Представляет интерес электрификация Охтинского порохового завода в Петербурге (середина 90-х годов). Ее организаторы — В.Н. Чиколев и Р.Э. Классон (1868–1926 гг.) осуществили передачу и распределение энергии с помощью трехфазных цепей. На гидростанции работали два генератора мощностью 120 и 175 кВт. Оба генератора могли работать независимо друг от друга, но могли включаться также и на параллельную работу. Наибольшая длина передачи составляла 2,66 км. Нагрузку составляли девять электродвигателей, из которых один имел мощность 65 л.с., три — по 20 л.с. и пять — по 10 л.с. Кроме того, два двигателя по 1,5 л.с. были установлены на гидростанции для привода щитовых затворов. Часть энергии для питания дуговых ламп преобразовывались в энергию постоянного тока. Охтинская установка представляла собой в то время наиболее прогрессивное инженерное решение задачи централизованного электроснабжения промышленного предприятия.

Первой в России электропередачей значительной протяженности была установка на Павловском прииске Ленского золотопромышленного района в Сибири. Электростанция была построена в 1896 г. на р. Ныгра. Здесь были установлены трехфазный генератор (98 кВт, 600 об/мин, 140 В) и трансформатор соответствующей мощности, повышающий напряжение до 10 кВ. Электроэнергия передавалась на прииск, удаленный от станции на 21 км. На прииске для привода водоотливных устройств использовались трехфазные асинхронные двигатели мощностью 6,5–25 л.с. (напряжение 260 В). Так постепенно расширялось в России строительство трехфазных электростанций.

С 1897 г. началась электрификация крупных городов: Москвы, Петербурга, Самары, Киева, Риги, Харькова и др.

Логическим завершением огромного вклада в развитие электротехники, сделанного М.О. Доливо-Добровольским, явилось его прозорливое утверждение в докладе «О границах применения переменных токов для передачи энергии на большие расстояния». В те годы, когда во всем мире широко применялись мощные трехфазные электропередачи высокого напряжения (до 150 кВ), он на основе технико-экономических расчетов пришел к выводу о том, что при передаче энергии на несколько сотен километров при напряжении свыше 200 кВ целесообразно генерирование и распределение энергии осуществлять переменным током, а передачу — постоянным высокого напряжения. Линия постоянного тока в начале и в конце должна подсоединяться к преобразовательным подстанциям, на которых устанавливаются ртутные выпрямители. С современной точки зрения параметры, указанные М.О. Доливо-Добровольским, были естественно, заниженными. Ему в то время, конечно, был неизвестен, например, такой факт, как устойчивость электропередачи переменного тока. В наши дни его предсказание оправдалось, и во многих странах успешно действуют линии электропередачи постоянного тока сверхвысокого напряжения.