Превращения

Превращение всякого другого вида энергии в электромагнитную, как вы знаете, осуществляется с помощью устройства, аппарата или машины, которую называют генератором. Так, в химических элементах мы превращаем одни вещества в другие, высвобождаем энергию химических связей и преобразуем ее в энергию электрическую. Используя силу падающей воды, пара или любого иного вида первичного двигателя, мы вращаем ротор генератора в магнитном поле и превращаем механическую энергию в электрическую. Используя силу ветра и солнца, мы тоже превращаем их энергию в электрическую, потому что электрическая энергия – самый удобный и легко транспортируемый вид энергии из освоенных человечеством.

Трансформаторы Ниагарской гидроэлектростанции, повышающие напряжение до 11 кВ

Давайте еще раз пройдем по всей электроэнергетической цепи, но теперь не с исторической точки зрения, а с позиций техники. Первыми источниками электрической энергии, как вы помните, были гальванические батареи. От них зажглась и дала свет электрическая дуга, они закрутили первый электродвигатель. Но они же своей малой мощностью затормозили развитие электричества и его практическое применение.

С 1831 года – времени открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции – начинается эпоха рождения и совершенствования электрических генераторов. Генератор – первое звено цепи. Мы уже познакомились с историей создания электрических генераторов, с непростым путем, по которому от вращающейся проволочной рамки ученые, изобретатели и конструкторские коллективы пришли к современным гигантам-генераторам.

Зал динамо-машин мощностью в 5000 лошадиных сил на Ниагарской электростанции

Специалисты делят пройденный путь на четыре этапа. Первый, охватывающий 20 лет, знаменует создание электрогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Это время так называемых магнитоэлектрических машин.

Второй этап – время между 1851 и 1867 годом – объединяет тоже машины постоянного тока, но уже с независимым возбуждением, то есть не от собственных постоянных магнитов, а от электромагнитов, питающихся от постороннего независимого источника.

Третий этап характеризуется тем, что почти одновременно разные исследователи открыли принцип самовозбуждения. Вернер Сименс в 1867 году, рассказывая о сущности нового принципа, назвал его динамоэлектрическим. С этой поры генераторы с самовозбуждением, а потом и другие генераторы постоянного тока стали называть динамо-машинами, или просто динамо.

Четвертый – современный этап. Начавшись в середине 80-х годов XIX века, он продолжается по сей день. Его можно назвать эпохой переменного трехфазного тока. Именно он – трехфазный переменный ток – позволил осуществить передачу электроэнергии на далекие расстояния, создать единую энергетическую сеть и обеспечить надежную работу электропривода.

Развитие мощных трехфазных машин – турбогенераторов – началось с новым, ХХ столетием. Уже через 20 лет в США был изготовлен двухполюсный турбогенератор немыслимой, казалось бы, мощности – 62,5 МВт и частоте вращения 1200 об/мин. Но технический прогресс подгоняет сам себя и имеет тенденцию к ускорению. Одновременно с двухполюсными появились четырехполюсные турбогенераторы еще большей мощности. К 1937 году в СССР был разработан и построен самый мощный в мире турбогенератор мощностью 100 МВт и частотой вращения 3000 об/мин. Это была очень непростая работа. Энергетиков беспокоили проблемы охлаждения обмоток. Внушали опасения огромный диаметр ротора и расстояние между его опорами. Хватит ли прочности у металла? Трудности возникали и при создании громадных поковок для ротора. А какая точность обработки требовалась от электромашиностроителей… Ведь у гигантских машин есть недремлющий враг – вибрация, способная разрушить даже самую прочную конструкцию.

Великая Отечественная война задержала стремительный рост советского энергомашиностроения. Но после победы народное хозяйство потребовало еще более мощных машин. Были разработаны и построены турбогенераторы вдвое большей мощности, втрое, в пять и десять раз. Для Костромской ГРЭС был разработан проект турбогенератора мощностью 1200 МВт и частотой вращения 3000 об/мин.

Чтобы повысить мощность гигантских машин, было предложено много усовершенствований. Главным явилось увеличение плотности тока в обмотках. Вы спросите: «А как же с охлаждением? Ведь уже на довоенном гиганте их нагрев представлял собой проблему». Правильно! Дальнейший прогресс потребовал глубоких теоретических и экспериментальных исследований, создания опытных машин и уникальных испытательных стендов. Конструкторы ленинградского завода «Электросила» впервые в мировой практике разработали и внедрили водородное охлаждение роторов. Статор же охлаждался водой, которая текла по полым медным проводникам обмотки. Для крепления были применены новые материалы, позволившие насколько возможно убрать вибрацию и не допустить резонанса.

Аналогичный путь исследований и устранения трудностей проходили и зарубежные турбостроительные фирмы. В США и Японии ныне строятся турбогенераторы в основном с водородно-водяным охлаждением мощностью до 1100 МВт. Фирма «Сименс», создающая турбогенераторы для атомных электростанций, освоила выпуск агрегатов мощностью 1500 МВт, частотой вращения 1800 об/мин и частоте тока 60 Гц. Фирма использует только водяное охлаждение как для обмоток статора, так и для ротора. А фирма «Альстом-атлантик» построила для атомных электростанций серию четырехполюсных турбогенераторов мощностью 1600 МВт.

Однако такие гиганты, как выяснилось из опыта мирового энергомашиностроения, кое в чем проигрывали по сравнению с турбогенераторами средних мощностей. Особенно если сравнивать их с более простыми парогазовыми установками. Первый такой турбогенератор мощностью 150 МВт и частотой вращения 3000 об/мин с более простой системой воздушного охлаждения был построен в АО «Электросила» для Северо-Западной ТЭЦ в 1996 году.

Следующим, вторым, звеном нашей цепи является линия электропередачи, ЛЭП, с преобразовательными подстанциями, трансформаторами и всевозможными вспомогательными устройствами. Главная задача ЛЭП – экономичная передача электрической энергии от генератора к приемнику, от электростанции к потребителю. Сегодня линии представляют собой грандиозные сооружения из высоченных мачт-опор с подвешенными на них многокилометровыми проводами (не менее грандиозными являются и линии подземных и подводных кабелей).

Россия – самая протяженная страна в мире. Основное население и промышленность сосредоточены в ее европейской части, а источники электроэнергии в большей степени – в восточной. И с каждым годом для транспортировки энергии нам приходится строить линии электропередачи на все большие и большие расстояния. Вы, конечно, понимаете, что чем длиннее линия передачи, тем больше в ней неизбежных потерь. Чтобы их снизить (я уже не раз об этом говорил), надо повышать напряжение. Вы помните, что чем выше напряжение на линии, тем меньшая сила тока нужна для передачи одной и той же мощности. А чем меньше сила тока, тем ниже потери. Этими соображениями и руководствуются проектировщики и строители, испытывая на полигонах модели линий электропередачи на 100 и 1000 кВ.

Третье звено – потребитель, от электрической лампочки и до. Пожалуй, сегодня не то что перечислить основных потребителей, но даже обозначить их границы невозможно. Мы живем в электрическом мире, и этим все сказано. Представить себе жизнь современного города без электричества невозможно! Мы создали для себя искусственный мир и не заметили, как сами оказались в его плену. Но пути назад не существует. Колесо истории и прогресса крутится только в одну сторону. Значит, надо работать дальше – изобретать, конструировать, двигать техническую мысль. Это интересно, в этом смысл жизни инженера.