Електроенергія стає товаром. перші електростанції

Електростанції, під якими розуміють фабрики з виробництва електричної енергії, що підлягає розподілу між різними споживачами, з'явилися не відразу. У 70-х і початку 80-х років минулого століття місце виробництва електроенергії не було відокремлено від місця споживання.

Електричні станції, які забезпечували електроенергією обмежена кількість споживачів, називалися блок-станціями (не плутати із сучасним поняттям блок-станцій, під яким деякі автори розуміють фабрично-заводські теплоелектроцентралі). Такі станції іноді називали «будинковими».

У зв'язку з труднощами регулювання системи дугового освітлення на перших порах будувалися спеціалізовані блок-станції: одні для дугових ламп, інші - для ламп розжарювання. Іноді на одній і тій же станції генератори поділяли на дві відповідні групи.

Розвиток перших електростанцій було пов'язане з подоланням труднощів не тільки науково-технічного характеру. Так, міська влада забороняли спорудження повітряних ліній, не бажаючи псувати зовнішній вигляд міста. Конкуруючі газові компанії всіляко підкреслювали дійсні та уявні недоліки нового виду освітлення.

На електричних блок-станціях, що будувалися в кінці 70-х і на початку 80-х років минулого століття, в якості первинних двигунів застосовувалися в основному поршневі парові машини. В окремих випадках використовувалися двигуни внутрішнього згоряння, в той час були новинкою. Для здешевлення паросилова частини блок-станцій широко застосовувалися локомобілі. Від первинної двигуна до електричного генератора робилася ремінна передача, яка давала можливість приводити в рух швидкохідні електричні генератори від порівняно тихохідних парових машин, що мали частоту обертання не більше 200 об / хв.

Вперше блок-станції були побудовані в Парижі для освітлення вулиці Опери.В Росії першої установкою такого роду з'явилася станція для освітлення Ливарного мосту в Петербурзі, створена в 1879 році за участю П. Н. Яблочкова. З кінця 1881 р виникають блок-станції, в мережі яких включалися як дугові лампи, так і лампи розжарювання.

Однак ідея централізованого виробництва електроенергії була настільки економічно виправданою і настільки відповідала тенденції концентрації промислового виробництва, що перші центральні електростанції виникли вже в середині 80-х років і швидко витіснили блок-станції. У зв'язку з тим, що на початку 80-х років масовими споживачами електроенергії могли стати тільки джерела світла, перші центральні електростанції проектувалися як правило для харчування освітлювальної навантаження і виробляли постійний струм.

У 1881 р кілька підприємливих американських фінансистів під враженням успіху, яким супроводжувалася демонстрація ламп розжарювання, уклали угоду з Едісоном і приступили до спорудження першої в світі центральної електростанції (на Пірль-стріт в Нью-Йорку). У вересні 1882 році ця електростанція була здана в експлуатацію.

У машинному залі станції було встановлено шість генератораторов Едісона. Потужність кожного генератора становила близько 90 кВт, а загальна потужність електростанції перевищувала 500 кВт. Будівля станції і її обладнання були спроектовані вельми доцільно, так що в подальшому при будівництві нових електростанцій розвивалися багато з тих принципів, які були запропоновані Едісоном.

Так, генератори станцій мали штучне охолодження і з'єднувалися безпосередньо з двигуном. Напруга регулювалося автоматично. На станції здійснювалися механічна подача палива в котельню і автоматичне видалення золи та шлаку. Захист обладнання від струмів короткого замикання здійснювалася плавкими запобіжниками, а магістральні лінії були кабельними. Станція забезпечувала електроенергією великий на той час район площею 2,5 км. Незабаром в Нью-Йорку було побудовано ще кілька станцій.

Початкова напруга перших електростанцій, від якого згодом були зроблені інші, що утворюють відому шкалу напруг, склалося історично.

Справа в тому, що в період виняткового поширення дугового електричного освітлення емпірично було встановлено, що найбільш підходящим для горіння дуги є напруга 45 В. Щоб зменшити струми короткого замикання, які виникали в момент запалювання ламп (при зіткненні вугілля), і для більш стійкого горіння дуги включали послідовно з дугового лампою баластовий резистор.

Так само емпірично було знайдено, що опір баластного резистора повинно бути таким, щоб падіння напруги на ньому при нормальній роботі становило приблизно 20 В. Таким чином, загальне напруження в установках постійного струму спочатку становила 65 В, і це напруга застосовувалося довгий час. Однак часто в один ланцюг включали послідовно дві дугові лампи, для роботи яких потрібно 2 x 45 = 90 В, а якщо до цього напрузі додати ще 20 В, що припадають на опір баластного резистора, то вийде напругу 110 В. Ця напруга майже повсюдно було прийнято в якості стандартного, і саме воно відкриває сучасну шкалу напруг, хоча причина вибору давно забута.

Уже при проектуванні перших центральних електростанцій зіткнулися з труднощами, які в достатній мірі були подолані протягом усього періоду панування техніки постійного струму. Радіус електропостачання визначається допустимими втратами напруги в електричній мережі, які для даної мережі тим менше, чим вище напруга. Саме ці обставини змушували будувати електростанції в центральних районах міста, що суттєво ускладнювало не тільки забезпечення водою і паливом, а й здорожувало вартість земельних ділянок для будівництва станцій, так як земля в центрі міста була надзвичайно дорога. Цим зокрема пояснюється незвичайний вид нью-йоркських станцій, на яких обладнання розташовувалося на багатьох поверхах.

Положення ускладнювалося ще й тим, що на перших електростанціях доводилося розміщувати велику кількість котлів, паропроизводительность яких не відповідала новим вимогам, пред'явленим електроенергетикою.

Не менш здивувався б наш сучасник, побачивши перші петербурзькі електростанції, які обслуговували район Невського проспекту. На початку 80-х років вони розміщувалися на баржах, закріплених у причалів на річках Мойці і Фонтанці.

Будівельники виходили з міркувань дешевого водопостачання, крім того, при такому рішенні не потрібно було купувати земельні ділянки, близькі до споживача.

У 1886 р в Петербурзі було засновано акціонерне «Суспільство електричного освітлення 1886 г.» (скорочено називалося «Суспільство 1886»), яка придбала станції на річках Мойці і Фонтанці і побудувало ще дві: у Казанського собору і на Інженерної площі. Потужність кожної з цих станцій ледь перевищувала 200 кВт.

У Москві перша центральна електростанція (Георгіївська) була побудована в 1886 р теж в центрі міста, на розі Великої Дмитрівки (нині Пушкінська вул.) І Георгіївського провулка. Її енергія використовувалася для освітлення прилеглого району. Потужність станції становила 400 кВт.

Обмежені можливості розширення радіусу електропостачання привели до того, що задовольнити попит на електроенергію з часом ставало все важче. Так, в Петербурзі і Москві до середини 90-х років можливості приєднання нової навантаження до існуючих станцій були вичерпані і постало питання про зміну схем мережі або навіть про зміну роду струму.

На центральних станціях з ростом їх потужності локомобілі, що застосовувалися в якості первинних двигунів блок-станцій, поступово витіснялися стаціонарними машинами. Потужність їх машинстановила 100-300 л.с, частота обертання валу була відносно невелика (100-200 об / хв), що призвело до необхідності ввести між машиною і генератором ремінну або канатну передачу.

В котельні ранніх теплових електростанції встановлювалися жаротрубні котли, однак незабаром у зв'язку з ростом потужності потрібні були котли більш високою паропронзводітельность - водотрубні парові. В кінці XIX і початку XX ст. переважне поширення в котельних зарубіжних електростанції отримали котли Бабкок-Вількокс, а в Росії - котли системи Шухова.

Основним паливом котелень з ручним завантаженням слугувало вугілля, спалюється на плоских колосниках. Витрата вугілля при такому способі спалювання і відсутності економайзерів, підігріву повітря і при поганій ізоляції в 3-4 рази перевищував витрати сучасних станцій.

Зростання потреб в електроенергії ефективно стимулював підвищення продуктивності і економічності теплової частини електричних станцій. Перш за все слід зазначити рішучий поворот від поршневих парових машин до парових турбін. Перша парова турбіна на електростанціях Росії була встановлена ​​в 1891 р в Петербурзі (станція на річці Фонтанці). За рік до цього випробування турбіни було проведено на станції розташованої на річці Мойці.

У розглянутий період гідроелектростанції будувалися рідко в зв'язку з труднощами передачі електроенергії на великі відстані. Вище вже відзначалося найбільш істотний недолік електропостачання постійним струмом - занадто мала площа району, яка може обслуговуватися центральної електростанцією. Відстань навантаження не перевищувала декількох сотень метрів.

Електростанції - підприємства прагнули розширити коло споживачів свого товару - електроенергії. Цим пояснюються наполегливі пошуки шляхів збільшення площі електропостачання за умови збереження вже побудованих станцій постійного струму. Було знайдено кілька шляхів збільшення радіусу розподілу енергії.

Перша ідея, яка не отримала помітного поширення, стосувалася зниження напруги електричних ламп, що підключаються в кінці лінії. Однак розрахунки показали, що при протяжності мережі більше 1,5 км економічно вигідніше було побудувати нову електростанцію.

Інше рішення, яке могло в багатьох випадках задовольнити потребу, складалося в зміні схеми мережі, перехід від двопровідних мереж до многопроводним, тобто фактично до підвищення напруги.

Трипровідна система розподілу електроенергії була запропонована в 1882 р Дж. Гонкпнсоном і незалежно від нього Т. Едісоном. При цій системі генератори на електростанції з'єднувалися послідовно і від загальної точки йшов нейтральний або компенсаційний провід. При цьому звичайні лампи зберігалися. Вони включалися як правило між робітниками і нейтральним проводами, а двигуни для збереження симетрії навантаження можна було включати на підвищену напругу (220 В).

Якщо навантаження в обох гілках трехпроводной системи була однаковою, то в нейтральному проводі струму не було. В інших випадках в нейтральному проводі з'являвся струм, який зазвичай був багато менше робочого струму. Остання обставина дозволяло вибирати переріз нейтрального проводу меншим (зазвичай 1/2: або 1/3 перетину робочого проводу).

Не слід випускати з уваги, що перетин робочих проводів при цьому теж зменшувалася в порівнянні з січнем проводок в двухпроводной системі. Це пояснювалося тим, що при збільшенні напруги вдвічі ток при тон же потужності вдвічі зменшувався, а втрати, пропорційні квадрату струму, знижувалися вчетверо. Практичними результатами введення трехпроводной системи стало, по-перше, збільшення радіусу електропостачання приблизно до 1200 м, по-друге, відносна економія міді (при всіх інших однакових умовах витрата міді при трехпроводной системі був практично вдвічі менше, ніж при двухпроводной).

Для регулювання напруги в гілках трехпроводной мережі застосовувалися різні пристрої: регулювальні додаткові генератори, подільники напруги, зокрема отримали значне поширення подільники напруги Доливо-Добровольського, акумуляторні батареї. Трипровідна система широко застосовувалася як в Росії, так і за кордоном. Вона збереглася аж до 20-х років нашого століття, а в окремих випадках застосовувалася і пізніше.

Максимальний варіант багатопровідних систем - п'ятипровідна мережу постійного струму, в якій застосовувалися чотири послідовно включених генератора і напруга збільшувалася вчетверо. Радіус електропостачання зростав до 1500 м. Однак порівняно незначне збільшення радіусу електропостачання досягалося в цьому випадку за рахунок істотного ускладнення мережі, підвищення напруги до небезпечних меж, ускладнення регулювання рівномірності навантаження окремих гілок. Тому п'ятипровідна система не отримала широкого застосування, хоча її автор В. Сіменс припускав, що п'ятипровідна система буде з успіхом конкурувати з системами змінного струму.

Третій шлях збільшення радіусу електропостачання припускав спорудження акумуляторних підстанцій. Акумуляторні батареї були в той час обов'язковим доповненням кожної електростанції. Вони покривали піки навантажень. Заряджаючись в денні та пізні нічні години, вони служили резервом. Акумуляторні батареї так само, як і на сучасних електростанціях (де, втім, ці батареї виконують інші функції - харчування ланцюгів управління, захисту, автоматики і аварійного освітлення), розміщувалися в спеціальних великих приміщеннях.

Для збільшення радіусу електропостачання акумуляторні батареї встановлювалися на підстанціях в двопровідних мережах постійного струму. Ці підстанції споруджувалися поблизу окремих споживачів. Групи акумуляторних батарей, з'єднані послідовно, заряджалися від центральної станції при подвійному напрузі, а при паралельному з'єднанні вони живили місцеве навантаження.

Мережі з акумуляторними підстанціями отримали деяке поширення. У Москві, наприклад, була побудована в 1892 р акумуляторна підстанція в Верхніх торгових рядах (нині ГУМ), яка перебувала на відстані 1385 м від Георгіївської центральної станції. На цій підстанції були встановлені акумулятори, що живили близько 2000 ламп розжарювання.

В останні два десятиліття минулого століття було побудовано багато електростанцій постійного струму, і вони довгий час давали значну частку загального виробітку електроенергії. Потужність таких електростанцій рідко перевищувала 500 кВт, агрегати зазвичай мали потужність до 100 кВт.

Всі можливості збільшення радіусу електропостачання при постійному струмі досить швидко були вичерпані. Багатопровідні мережі та мережі з акумуляторними підстанціями могли ще задовольняти потреби малих і середніх міст, але абсолютно не відповідали потребам великого міста.

У 80-х роках починають споруджуватися станції змінного струму, вигідність яких з точки зору збільшення радіусу електропостачання була безперечною.

Якщо не брати до уваги блок-станцій змінного струму, побудованих в Англії в 1882-1883 рр., Коли з'явилися трансформатори голяр і Гіббса, то, мабуть, першою постійно діяла електростанцією змінного струму можна вважати станцію Гровнерской галереї (Лондон).

На цій станції, пущеної в експлуатацію в 1884 р, були встановлені два генератора змінного струму Сіменса, які через послідовно включені трансформатори голяр і Гіббса працювали на освітлення галереї. Недоліки послідовного включення трансформаторів і, зокрема, труднощі підтримання сталості струму були виявлені досить швидко, і в 1886 році ця станція була реконструйована за проектом С. Ц. Ферранті. Генератори Сіменса були замінені машинами конструкції Ферранті кожна потужністю 1000 кВт з напругою на затискачах 2,5 кВ. Трансформатори, виготовлені за проектом Ферранті, включалися в ланцюг паралельно і служили для зниження напруги в безпосередній близькості від споживачів.

У 1889-1890 рр. Ферранте знову повернувся до проблеми електропостачання Лондона. На цей раз була поставлена ​​задача забезпечити електроенергією весь район лондонського Сіті. Але оскільки компанія, фінансувала роботи, не погоджувалася сплатити високу вартість земельної ділянки в центрі міста, Ферранті вибрав місце для нової центральної електростанції в одному з передмість Лондона, в Дентфорде, що знаходиться в 12 км від Сіті.

Побудувати електростанцію на такій великій відстані від місця споживання електроенергії можна було тільки за умови, що вона буде виробляти змінний струм.

При спорудженні цієї установки були застосовані потужні на той час машини високої напруги. Були встановлені генератори потужністю по 1000 к.с. з напругою 10 кВ, причому на відміну від старих генераторів, які наводилися в рух від парової машини за допомогою канатної передачі, нові генератори були безпосередньо з'єднані з швидкохідними вертикальними паровими машинами.

Частота обертання валу парових поршневих двигунів також сильно відставала від нормальної швидкості електрогенераторів. Цим зокрема пояснюється своєрідна конструкція електричних генератором того часу, вони мали великі діаметри і малі довжини. Такі ж в загальному співвідношення між діаметром і довжиною машини збереглися і в даний час на гідростанціях з відносно тихохідними водяними проймами як первинний двигун. Загальна потужність дентфордской станції становила близько 3000 кВт.

На чотирьох міських підстанціях, що харчувалися за чотирма магістральними кабельних лініях, напруга знижувалося до 2400 В), а потім вже у споживачів (в будинках) напруга знижувалося до 100 В.

Прикладом великої гідростанції однофазного струму, яка живила освітлювальну навантаження, може служити станція, побудована в 1889 р, на водоспаді поблизу Портленда (США). На цій станції гідравлічні двигуни приводили в дію вісім однофазних генераторів загальною потужністю 720 кВт. Крім того, на станції були встановлені 11 генераторів, призначених спеціально для харчування дугових ламп (по 100 ламп на кожен генератор). Енергія цієї станції передавалася на відстань 14 миль в Портленд.

Характерна особливість перших електростанції змінного струму - ізольована робота окремих машин. Синхронізація генераторів ще не проводилася і від кожної машини йшла окрема ланцюг до споживачів. Легко зрозуміти, наскільки неекономічними при таких умовах виявлялися електричні мережі, на спорудження яких витрачалися колосальні кількості міді і ізоляторів.

У Росії найбільші станції однофазного струму були споруджені в кінці 80-х і початку 90-х років. Перша центральна електростанція побудована угорською фірмою «Ганц і К» в Одесі в 1887 р Основним споживачем енергії була система електричного освітлення нового театру.

Ця електростанція була прогресивне для свого часу споруда. Вона мала 4 водотрубних котла загальною продуктивністю 5 т пари на годину, а також два синхронних генератора загальною потужністю 160 кВт при напрузі на затисках 2 кВ і частоті 50 Гц. Від розподільного шита енергія надходила в лінію довжиною 2,5 км, що веде до трансформаторної підстанції театру, де напруга знижувалося. Устаткування електростанції було настільки досконалим для своєю часу, що, незважаючи на те, що паливом служили привізною англійська вугілля, вартість електроенергії була нижче, ніж на більш пізніх петербурзьких і московських електростанціях. Витрата палива становив .1,4 кг / кВт год (на петербурзьких електростанціях - 3,9-5,4 кг / кВтг).

У тому ж році почалася експлуатація електростанції постійного струму в Царському Селі (нині Пушкін). Протяжність повітряної мережі в Царському Селі вже в 1887 році була близько 64 км, тоді як два роки по тому сумарна кабельна мережа «Товариства 1886» в Москві і Петербурзі, становила лише 115 км. У 1890 р Царскосельская станція і мережа були реконструйовані і переведені на однофазний змінний струм напругою 2 кВ. За свідченням сучасників, Царське Село було першим містом в Європі, який був висвітлений виключно електрикою.

Найбільшою в Росії електростанцією однофазного струму була станція на Василівському острові в Петербурзі, побудована в 1894 р інженером Н. В. Смирновим. Потужність її складала 800 кВт і перевершувала потужність будь існувала в той час станції постійного струму. В якості первинних двигунів використовувалися чотири вертикальні парові машини потужністю 250 к.с.. кожна. Застосування змінного струму напругою 2000 В дозволило спростити і здешевити електричну мережу і збільшити радіус електропостачання (більше 2 км при втраті до 3% напруги в магістральних проводах замість 17-20% у мережах постійного струму).

Таким чином, досвід експлуатації центральних станцій і мереж однофазного струму показав переваги змінного струму, але разом з тим, як уже зазначалося, виявив обмеженість його застосування. Однофазна система гальмувала розвиток електроприводу, ускладнювала його. Так, наприклад, при підключенні силового навантаження до мережі Дептфордской станції доводилося Додатково перешкодити на валу кожного синхронного однофазного двигуна ще розгінний колекторний двигун змінного струму. Легко зрозуміти, що таке ускладнення електроприводу робило вельми сумнівною можливість його широкого застосування.

Веселовський О. Н. Шнейберг Я. А. Нариси з історії електротехніки