Становление электрификации. Проблема передачи Энергии на большие расстояния

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЖНЕВАРТОВСКИЙ ФИЛИАЛ

Кафедра Социально-гуманитарных и естественнонаучных дисциплин

 

 

РЕФЕРАТ

 

По дисциплине    История электротехники

 

Тема: Становление электрификации.

Проблема  передачи Энергии на большие расстояния.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Введение 3

Начало электрификации 3

Проблема передачи энергии на большие расстояния 4

Первые  шаги электрификации России 11

   План электрификации ГОЭЛРО 14

Заключение 22

Библиография 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Электрификация — процесс производства и широкого использования электроэнергии в общественном производстве и быту. Это двусторонний процесс: с одной стороны, производство электроэнергии, с другой — ее потребление в различных сферах, начиная от производственных процессов, происходящих во всех отраслях народного хозяйства, и заканчивая бытом. Эти стороны неотделимы друг от друга, поскольку производство и потребление электроэнергии совпадают во времени, что обусловливается физическими особенностями электричества как формы энергии. Поэтому сущность электрификации состоит в органическом единстве производства электроэнергии и замены ею других форм энергии в различных сферах общественного производства, в той или иной мере использующих энергию. Поскольку электрификация — это единство производства и потребления электроэнергии, изучение экономических проблем этого процесса не должно ограничиваться одной какой-либо его стороной, что, к сожалению, имеет место до настоящего времени.

 

Начало  электрификации.

Начальный период электрификации связан с использованием постоянного тока. После удачных  опытов применения динамомашин в 70-х  годах XIX в. возникли небольшие генераторные установки для питания одной определенной нагрузки: дуговой лампы, электрического двигателя или гальванической ванны. Это был этап децентрализованного производства электрической энергии. Следующей ступенью в развитии электроснабжения стало питание от общего генератора ряда приемников — от домовых электростанций; затем возникли станции местного значения, служившие для электроснабжения городского квартала или завода — так называемые блок-станции. Они вырабатывали ток низкого напряжения (порядка 100—200 В), что резко ограничивало протяженность электрических сетей. Первые блок-станции возникли в Париже для питания свечей Яблочкова. В России первой станцией такого рода была установка для освещения Литейного моста в Петербурге, построенная в 1879 г. при участии П. Н. Яблочкова. В конце 1881 г. появились блок-станции, в сети которых включались дуговые лампы и лампы накаливания, например станция в Честерфилде (Англия) и станция в Лубянском пассаже в Москве.

С ростом числа  потребителей электроэнергии увеличивались  мощности электростанций и все более отчетливо проявлялась тенденция централизации электроснабжения. Первая центральная электрическая станция была построена Т. А. Эдисоном в 1882 г. на Пирльстрит в Нью-Йорке для питания осветительной нагрузки. Ее общая мощность превышала 500 кВт [14, с. 144, 145; 30]. В 1883 г. возникла центральная электрическая станция в Петербурге для освещения Невского проспекта. Эксплуатация первых ЦЭС обнаружила недостаток, не преодоленный в течение всего времени применения постоянного тока: ограниченный радиус электроснабжения, определяемый величиной допустимых потерь напряжения в электрической сети. Это обстоятельство заставляло сооружать электростанции вблизи от потребителей, главным образом в центральных частях города, что, в свою очередь, затрудняло снабжение водой и топливом и было сопряжено с высокой стоимостью земельных участков. Поэтому в Нью-Йорке в тот период были вынуждены прибегнуть к многоэтажному размещению станционного оборудования, а в Петербурге первые электростанции были установлены на баржах на реках Мойке и Фонтанке.

 

 

ПЕРЕДАЧА  ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ.

В последней  трети XIX века во многих крупных промышленных центрах Европы и Америки стала  очень остро ощущаться энергетическая проблема. Жилые дома, транспорт, фабрики  и мастерские требовали все больше топлива, подвозить которое приходилось издалека, вследствие чего цена на него постоянно росла. В этой связи то здесь, то там стали обращаться к гидроэнергии рек, гораздо более дешевой и доступной. Вместе с тем повсеместно возрастал интерес к электрической энергии. Уже давно было отмечено, что этот вид энергии чрезвычайно удобен: электричество легко генерируется и так же легко преобразуется в другие виды энергии, без труда передается на расстояние, подводится и дробится.

Первые электрические станции обычно представляли собой электрогенератор, присоединенный к паровой машине или турбине, и предназначались для снабжения электроэнергией отдельных объектов (например, цеха или дома, в крайнем случае, квартала). С середины 80-х годов стали строиться центральные городские электростанции, дававшие ток прежде всего для освещения. (Первая такая электростанция была построена в 1882 году в Нью-Йорке под руководством Эдисона.) Ток на них вырабатывался мощными паровыми машинами. Но уже к началу 90-х годов стало ясно, что таким образом энергетическую проблему не разрешить, поскольку мощность центральных станций, расположенных в центральной части города, не могла быть очень большой. Использовали они те же уголь и нефть, то есть не снимали проблемы доставки топлива.

Дешевле и практичнее было возводить электростанции в  местах с дешевыми топливными и гидроресурсами. Но, как правило, местности, где можно  было в большом количестве получать дешевую электроэнергию, были удалены  от промышленных центров и больших  городов на десятки и сотни километров. Таким образом, возникла другая проблема — передачи электроэнергии на большие расстояния.

Первые опыты  в этой области относятся к  самому началу 70-х годов XIX века, когда пользовались в основном постоянным током. Они показали, что как только длина соединительного провода между генератором тока и потреблявшим этот ток двигателем превышала несколько сотен метров, ощущалось значительное снижение мощности в двигателе из-за больших потерь энергии в кабеле. Это явление легко объяснить, если вспомнить о тепловом действии тока. Проходя по кабелю, ток нагревает его. Эти потери тем больше, чем больше сопротивление провода и сила проходящего по нему тока. (Количество выделяющейся теплоты Q легко вычислить. Формула имеет вид: Q=R•I2, где I — сила проходящего тока, R — сопротивление кабеля. Очевидно, что сопротивление провода тем больше, чем больше его длина и чем меньше его сечение. Если в этой формуле принять I=P/U, где P — мощность линии, а U — напряжение тока, то формула примет вид Q=R•P2/U2. Отсюда видно, что потери на тепло будут тем меньше, чем больше напряжение тока.) Имелось только два пути для снижения потерь в линии электропередачи: либо увеличить сечение передающего провода, либо повысить напряжение тока. Однако увеличение сечения провода сильно удорожало его, ведь в качестве проводника тогда использовалась достаточно дорогая медь. Гораздо более выигрыша сулил второй путь.

В 1882 году под  руководством известного французского электротехника Депре была построена  первая линия электропередачи постоянного тока от Мисбаха до Мюнхена, протяженностью в 57 км. Энергия от генератора передавалась на электродвигатель, приводивший в действие насос. При этом потери в проводе достигали 75%. В 1885 году Депре провел еще один эксперимент, осуществив электропередачу между Крейлем и Парижем на расстояние в 56 км. При этом использовалось высокое напряжение, достигавшее 6 тысяч вольт. Потери снизились до 55%. Было очевидно, что, повышая напряжение, можно значительно повысить КПД линии, но для этого надо было строить генераторы постоянного тока высокого напряжения, что было связано с большими техническими сложностями. Даже при этом сравнительно небольшом напряжении Депре приходилось постоянно чинить свой генератор, в обмотках которого то и дело происходил пробой. С другой стороны, ток высокого напряжения нельзя было использовать, поскольку на практике (и прежде всего для нужд освещения) требовалось совсем небольшое напряжения, порядка 100 вольт. Для того чтобы понизить напряжение постоянного тока, приходилось строить сложную преобразовательную систему: ток высокого напряжения приводил в действие двигатель, а тот, в свою очередь, вращал генератор, дававший ток более низкого напряжения. При этом потери еще более возрастали, и сама идея передачи электроэнергии становилась экономически невыгодной.

Переменный  ток в отношении передачи казался  более удобным хотя бы уже потому, что его можно было легко трансформировать, то есть в очень широких пределах повышать, а затем понижать его  напряжение. В 1884 году на Туринской выставке Голяр осуществил электропередачу на расстояние в 40 км, подняв с помощью своего трансформатора напряжение в линии до 2 тысяч вольт. Этот опыт дал неплохие результаты, но и он не привел к широкому развитию электрификации, поскольку, как уже говорилось, двигатели однофазного переменного тока по всем параметрам уступали двигателям постоянного тока и не имели распространения. Таким образом, и однофазный переменный ток было невыгодно передавать на большие расстояния. В следующие годы были разработаны две системы многофазных токов — двухфазная Теслы и трехфазная Доливо-Добровольского. Каждая из них претендовала на господствующее положение в электротехнике. По какому же пути должна была пойти электрификация? Точного ответа на этот вопрос поначалу не знал никто. Во всех странах шло оживленное обсуждение достоинств и недостатков каждой из систем токов. Все они имели своих горячих сторонников и ожесточенных противников. Некоторая ясность в этом вопросе была достигнута только в следующем десятилетии, когда был сделан значительный прорыв в деле электрификации. Огромную роль в этом сыграла Франкфуртская международная выставка 1891 года.

В конце 80-х годов встал вопрос о сооружении центральной электростанции во Франкфурте-на-Майне. Многие германские и иностранные фирмы предлагали городским властям различные варианты проектов, предусматривающие применение либо постоянного, либо переменного тока. Обер-бургомистр Франкфурта находился в явно затруднительном положении: он не мог сделать выбор там, где это было не под силу даже многим специалистам. Для выяснения спорного вопроса и решено было устроить во Франкфурте давно планировавшуюся международную электротехническую выставку. Ее главной целью должна была стать демонстрация передачи и распределения электрической энергии в различных системах и применениях. Любая фирма могла продемонстрировать на этой выставке свои успехи, а международная комиссия из наиболее авторитетных ученых должна была подвергнуть все экспонаты тщательному изучению и дать ответ на вопрос о выборе рода тока. К началу выставки различные фирмы должны были построить свои линии передачи электроэнергии, причем одни собирались демонстрировать передачу постоянного тока, другие — переменного (как однофазного, так и многофазного). Фирме АЭГ было предложено осуществить передачу электроэнергии из местечка Лауфен во Франкфурт на расстояние 170 км. По тем временам это было огромное расстояние, и очень многие считали саму идею фантастической. Однако Доливо-Добровольский был настолько уверен в системе и возможностях трехфазного тока, что убедил директора Ротенау согласиться на эксперимент.

Когда появились  первые сообщения о проекте электропередачи  Лауфен — Франкфурт, электротехники во всем мире разделились на два  лагеря. Одни с энтузиазмом приветствовали это смелое решение, другие отнеслись к нему как к шумной, но беспочвенной рекламе. Подсчитывали возможные потери энергии. Некоторые считали, что они составят 95%, но даже самые большие оптимисты не верили, что КПД такой линии превысит 15%. Наиболее известные авторитеты в области электротехники, в том числе знаменитый Депре, высказывали сомнения в экономической целесообразности этой затеи. Однако Доливо-Добровольский сумел убедить руководство компании в необходимости взяться за предложенную работу.

Поскольку до открытия выставки оставалось совсем мало времени, строительство ЛЭП проходило в большой спешке. За полгода Доливо-Добровольский должен был спроектировать и построить небывалый по мощности асинхронный двигатель на 100 л.с. и четыре трансформатора на 150 киловатт, при том что максимальная мощность однофазных трансформаторов составляла тогда только 30 киловатт. Не могло быть и речи об опытных конструкциях: на это просто не хватало времени. Даже построенный двигатель и трансформаторы не могли быть испытаны на заводе, так как в Берлине не было трехфазного генератора соответствующей мощности (генератор для Лауфеновской станции строили в Эрликсоне). Следовательно, все элементы электропередачи предстояло включить непосредственно на выставке в присутствии многих ученых, представителей конкурирующих фирм и бесчисленных корреспондентов. Малейшая ошибка была бы непростительной. Кроме того, на плечи Доливо-Добровольского легла вся ответственность за проектирование и монтажные работы при сооружении ЛЭП. Собственно, ответственность была даже больше — ведь решался вопрос не только о карьере Доливо-Добровольского и престиже АЭГ, но и о том, по какому пути пойдет развитие электротехники. Доливо-Добровольский прекрасно понимал всю важность стоявшей перед ним задачи и писал позже: «Если я не хотел навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора и подвергнуть его недоверию, которое вряд ли удалось бы потом быстро рассеять, я обязан был принять на себя эту задачу и разрешить ее. В противном случае опыты Лауфен-Франкфурт и многое, что потом должно было развиться на их основе, пошли бы по пути применения однофазного тока».

В Лауфене была в короткий срок построена небольшая  гидроэлектростанция. Турбина мощностью 300 л.с. вращала генератор трехфазного  тока, спроектированный и построенный, как уже говорилось, на заводе в Эрликсоне. От генератора три медных провода большого сечения вели к распределительному щиту. Здесь были установлены амперметры, вольтметры, свинцовые предохранители и тепловые реле. От распределительного щита три кабеля шли к трем трехфазным трансформаторам «призматического» типа. Обмотки всех трансформаторов соединялись в звезду. Предполагалось вести электропередачу при напряжении в 15 тысяч вольт, но все расчеты делались на работу в 25 тысяч вольт. Для достижения такого высокого напряжения планировалось включить по два трансформатора на каждом конце линии, так чтобы их обмотки низшего напряжения были соединены параллельно, а обмотки высшего — последовательно.