История решения проблемы передачи электроэнергии на дальние расстояния

После появления мощных электромагнитных генераторов возникла проблема централизованного производства электроэнергии, которое позволило бы использовать ее для обслуживания мощных промышленных предприятий. В конце XIX в. электродвигатели начинают играть важную роль в тяжелой промышленности. Электрические генераторы вырабатывают электричество не только для превращения его в световую или тепловую энергию, но главным образом для превращения его в энергию механическую.

Применение электродвигателей позволяло концентрировать производство электрической энергии на крупных электростанциях, что вело к значительному удешевлению электроэнергии. В эпоху концентрации промышленного производства эта возможность электрической энергии была очень быстро использована. С конца 80-х годов начинают создаваться первые электростанции, т. е. технические сооружения, предназначенные для производства электрической энергии. Электрические станции соединяются с обслуживаемыми ими потребителями системой проводов, по которым происходит распределение и передача электрической энергии. Первая электростанция была создана в США Эдисоном. Чтобы обеспечить массовое использование электрического освещения, Эдисон реализовал в 1882 г. мысль о создании централизованной электрической станции, высказанную еще в 1879 г. Яблочковым.

В связи со строительством электрических станций проблема передачи электроэнергии на расстояние приобрела большое экономическое значение. Передача электричества на расстояние открывала возможность создания крупных электростанций в районах низкосортного топлива, резко удешевляла стоимость электроэнергии, что способствовало более глубокому проникновению электричества в промышленность.

Попытки осуществить передачу электрической энергии имели место в Европе уже в начале 70-х годов XIX в. В 1873 г. французский электротехник И. Фонтень на Международной выставке в Вене демонстрировал передачу электроэнергии на расстояние 1 км. К концу 70-х годов опытные установки по передаче электроэнергии на расстояние были созданы также в Англии и в Америке. В России в 1875 г. военный инженер Ф. А. Пироцкий (1845—1893) устроил на Волковом поле, вблизи Петербурга, передачу электроэнергии на расстояние до 1 км.

Первая электропередача, рассчитанная на нормальную эксплуатацию, была осуществлена для электрического освещения в 1876 г. П. Н. Яблочковым. Однако дальнейшее развитие передачи электрической энергии на большие расстояния задерживалось ввиду отсутствия теоретического анализа происходящих при этом явлений. И вот русский электротехник Лачинов (1842—1902) в 1880 г. опубликовал свой труд «Электромеханическая работа», где исследовал работу электрических машин и математически доказал возможность путем увеличения напряжения передачи любых количеств электроэнергии на значительные расстояния без больших потерь. Эти исследования имели огромное значение для разрешения проблемы передачи электроэнергии и для всего последующего развития электротехники. 

Подобные же теоретические выводы были сформулированы французским физиком М. Депре, который подтвердил их также и опытным путем. В 1881 г. на Первом Международном конгрессе электриков в Париже Депре сделал сообщение о передаче и распределении электроэнергии. Первую опытную линию электропередачи длиной в 57 км Депре построил на Мюнхенской выставке в 1882 г. На этой линии передавался по телеграфной проволоке постоянный ток напряжением 1500—2000 вольт от генератора, приводимого в движение паровой машиной, к электродвигателю, соединенному с насосом. Однако эта электропередача работала с перебоями и обладала еще очень низким коэффициентом полезного действия (22%). Затем Депре построил еще несколько линий электропередач во Франции, причем наибольшее значение имела линия длиной в 56 км.

Внедрение передачи электроэнергии на расстояние долгое время тормозилось самой природой постоянного тока. Дело в том, что постоянный ток вследствие низкого напряжения оказался мало пригодным для передачи. Значительно большие возможности в этом смысле представлял переменный ток. Важнейшим этапом развития техники передачи электроэнергии был переход от постоянного тока к переменному. Однако известные в то время электродвигатели переменного тока отличались существенными недостатками, которые часто делали их непригодными для эксплуатации. Перед изобретателями встала задача найти возможность использовать переменный ток и трансформаторы переменного тока для передачи электроэнергии на дальние расстояния и питания электродвигателей.

Первый шаг в этом направлении был сделан итальянским физиком и электротехником Г. Феррарисом (1847—1897) в 1885—1888 гг., предложившим применить систему двух переменных токов, разнящихся по фазе на 90°, названную впоследствии «двухфазным» током. Феррарис показал, что при помощи двухфазных токов можно получить внутри железного кольца так называемое «вращающееся магнитное поле».

В дальнейшем эту идею разработал и внедрил в практику известный сербский ученый, электротехник Н. Тесла (1856—1943), который создал различные конструкции многофазных, главным образом двухфазных, электродвигателей. Наиболее целесообразной в практическом отношении Тесла считал двухфазную систему. По этой системе в 1896 г. была построена первая крупная электрическая станция двухфазного тока — Ниагарская гидроэлектростанция в США, Однако и двухфазный ток не получил широкого распространения.

Изобретение, которое позволило более рационально решить проблему передачи энергии на дальние расстояния, было сделано русским инженером М. О. Доливо-Добровольским (1862—1919), который предложил принять для электрической передачи энергии не двухфазный переменный ток, а трехфазный. Как опытным путем, так и теоретически Доливо-Добровольский доказал, что при помощи трехфазного тока можно получить такое же вращающееся магнитное поле, какое получали Феррарис и Тесла при помощи двухфазного. Основываясь на этом, Доливо-Добровольский и построил свой двигатель трехфазного тока, получивший в дальнейшем в электротехнике название «асинхронного» (рис. 1).

Рис. 1. Трехфазный двигатель М. О. Доливо-Добровольского (1891 г.).

Асинхронные двигатели в отличие от синхронных приходят во вращение самостоятельно при включении тока. Их скорость в определенных пределах может быть регулируема. Для питания асинхронные двигатели требуют всего трех проводов, присоединенных к трем концам трех обмоток статора, вторые концы которых соединяются определенным образом между собой. Генераторы трехфазного тока по конструкции ничем не отличаются от генераторов обычного однофазного переменного тока, за исключением того, что обмотка, в которой индуктируется электродвижущаяся сила, разбивается не на две, а на три группы — фазы.

В 1891 г. на электрической выставке во Франкфурте-на-Майне Доливо-Добровольский впервые в мире организовал передачу электрической энергии на расстояние около 170 км при помощи трехфазного тока. Здесь же впервые демонстрировался и его трехфазный двигатель, принципиальная схема которого мало изменилась до настоящего времени.

Доливо-Добровольский решил вопрос и о трансформаторах трехфазного тока, весьма важных для передачи электроэнергии. В 1890 г. он предложил для трехфазных токов вместо трех обычных однофазных трансформаторов использовать один трансформатор, специально приспособленный для трехфазных токов, который в отличие от однофазного имеет не два магнитных сердечника, а три (рис. 2).

Рис. 2. Схема трехфазного трансформатора М. О. Доливо-Добровольского.

Таким образом, Доливо-Добровольским было изобретено и разработано все необходимое для трехфазной передачи электроэнергии и для ее распределения между осветительными силовыми установками. Изобретения Доливо-Добровольского знаменовали начало нового периода в электротехнике. Только после создания экономически выгодной и технически несложной системы трехфазного тока, решившей проблему передачи электроэнергии на большие расстояния, началось широкое внедрение электричества в промышленность. Решение проблемы передачи электроэнергии на расстояние, создание работоспособных электрических двигателей, успехи машиностроительной промышленности позволили в конце XIX в. приступить к переводу городского транспорта на электротягу.

В 1879 г. фирма «Сименс и Гальске», на промышленной выставке в Берлине (рис. 3) построила первую опытную электрическую железную дорогу.

Рис. 3. Электрическая железная дорога В. Сименса (1879 г.)

Электроэнергия для двигателя подавалась по третьему рельсу, а отводилась по ездовому рельсу. Однако этот трамвай не был пригоден в городских условиях. Интересные работы по использованию электрической энергии для привода в движение обычного вагона городской конки были проведены Ф. А. Пироцким в 1880 г. в Петербурге в Рождественском парке городской конно-железной дороги. Опыты Пироцкого были удачными и показали экономические и технические преимущества нового вида городского транспорта. Однако владельцы акций Общества конно-железных дорог, боясь конкуренции, воспрепятствовали проведению испытаний.

Дальнейшее развитие городского хозяйства все больше и больше требовало коренных изменений в способах передвижения в крупных городах. В результате стали постепенно строиться трамвайные линии. В 1881 г. вблизи Берлина была пущена первая трамвайная линия протяженностью около 2,5 км. Уже в 1895 г. в крупнейших городах Европы и США конки заменяются трамваем. В России регулярная эксплуатация трамвая была впервые организована в 1892 г. в Киеве. В Москве первая трамвайная линия была построена в 1899 г. За 10 лет протяженность железнодорожной электросети достигла 2260 км, из которых 1138 км приходилось на Германию.

Одновременно велось изучение проблемы электрификации железнодорожного транспорта. Начиная с 1901 г. электричество используется на пригородных железнодорожных линиях Парижа. С конца XIX в. проводятся опыты электрификации горных линий в США, в Италии и в Швейцарии.

Успешное разрешение проблемы передачи электроэнергии способствовало необычайно быстрому развитию электротехники. Благодаря электрической энергии стало возможным более рациональное использование природных источников энергии. Электрическая передача дала возможность использовать дешевую гидравлическую энергию рек, применять малоценное топливо — малокалорийные сорта каменного угля, угольную пыль, торф и т. д. Электрическая энергия в полном смысле слова совершила революцию в энергетике и этим самым создала условия для нового колоссального технического прогресса.