Отчет по производственной практике на трансформаторе

    Одна  из машин Грамма работала в режиме генератора, а такая же вторая —  в режиме двигателя. Последняя машина приводила в действие водяной  насос искусственного водопада. Желая  несколько снизить мощность двигателя (чтобы вода не выбивалась за пределы  бассейна), Фонтен решил увеличить  сопротивление проводов, соединявших  Две машины. Для этого он включил  между машинами барабан с кабелем  длиной несколько больше 1 км. Так  была показана возможность передачи электроэнергии на более или менее  значительное по представлениям того времени расстояние. Вместе с тем  сам Фонтен не был убежден в  экономической целесообразности электропередачи, Так как при включении соединительного  кабеля он получил значительное снижение мощности двигателя, что свидетельствовало  о больших потерях энергии  в кабеле.

    Если  полагать, что требуется передать определенную мощность на расстояние, то из из закона Джоуля-Ленца видно, что потери в линии зависят  от напряжения, удельного сопротивления  провода и его сечения.

    Снижение  удельного сопротивления проводов практически неосуществимо, так  как медь, ставшая основным материалом для изготовления проводов, имеет  предельно малое удельное сопротивление. Следовательно, имелись только два  пути для снижения потерь в линии: увеличение сечения проводов или  повышение напряжения.

    В 70-х  годах был исследован первый путь, так как увеличение сечения проводников  представлялось мероприятием, по-видимому, более естественным и технически легче осуществимым по сравнению  с повышением напряжения.

    В 1874 г. русский  военный инженер Ф. А. Пироцкий пришел к выводу об экономической целесообразности производства электрической энергии  в тех местах, где она может  быть дешево получена благодаря наличию  топлива или гидравлической энергии, и передачи ее по линии к более  или менее отдаленному месту  потребления. В том же году он приступил  к опытам передачи энергии на артиллерийском полигоне Волкова поля (около Петербурга), использовав электрическую машину Грамма. Дальность передачи в опытах Пироцкого составляла сначала более 200 м, а затем была увеличена примерно до 1 км.

    Для уменьшения потерь в линии Пироцкий предлагал  использовать в качестве проводников  железнодорожные рельсы, сечение  которых более чем в 600 раз превышало  сечение обыкновенного телеграфного провода. Стремясь проверить свои выводы, он в конце 1875 г. произвел опыты передачи электроэнергии по рельсам бездействовавшей ветки Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,4 км Оба рельса изолировались  от земли, один из них служил прямым, второй — обратным проводом. Электрический  ток шел от небольшого генератора Грамма к электродвигателю, удаленному на расстояние около 1 км.

    Необходимо  отметить, что Пироцкий был не единственным электротехником, ставшим на путь увеличения сечения проводов, Так, например, В. Сименс, посетив в 1876 г Ниагарский водопад, сумел правильно оценить энергетические возможности его использования, но утверждал, что для передачи энергии водопада на расстояние 50 км потребуется проводник диаметром 75 мм. 

    Подобные  выводы являлись наглядным выражением уровня познаний в обласТи электротехники в 70-х годах XIX в. Несмотря на нерациональность практического направления, избранного Пироцким, его опыты привлекли  внимание к вопросам электропередачи  вообще, вызвали ряд новых исследований, приведших к выявлению правильного  пути для решения этой проблемы.

    Предложение Пироцкого об использовании железнодорожных  рельсов для передачи электрической  энергии на расстояние нашло свое применение уже при разработке первых проектов городских электрических  железных дорог.

    Другой  путь решения проблемы передачи электрической  энергии, основанный на повышении напряжения линии передачи, — путь прогрессивный  — был избран французским академиком М. Депре и профессором физики Петербургского лесного института  Д. А. Лачиновым.

    В марте 1880 г. в протоколах Парижской академии наук был опубликован доклад М. Депре  «О коэффициенте полезного действия электрических двигателей и об измерении  количества энергии в электрической  цепи», в котором он математически  доказывал, что к. п. д. установки, состоявшей из электродвигателя и линии передачи, не зависит от сопротивления самой  линии. Такой вывод показался  Депре парадоксальным, так как  ему вначале не удалось установить, что увеличение сопротивления линии  не влияет на эффективность электропередачи  только при определенном условии, а  именно при увеличении напряжения передачи.

    Эти условия  впервые были указаны проф. Д. А. Лачиновым  в статье «Электромеханическая работа», опубликованной в июне 1880 г. в первом номере журнала «Электричество». На основе математических выкладок Лачинов  показал, что в электропередаче  «полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условии  увеличения скорости вРащения генератора (т. е. при повышении напряжения линии, так как э. д. с., развиваемая генератором, пропорциональна скорости вращения).

    Большая заслуга в практическом решении  вопросов передачи энергии постоянным током на значительные расстояния принадлежит  М. Депре. Исходя из ранее разработанных  принципов, Депре в 1882 г. строит первую линию электропередачи Мисбах —  Мюнхен протяженностью 57 км. На одном  конце опытной линии в Мисбахе  была установлена паровая машина, приводившая в действие генератор  постоянного тока мощностью 3 л. с., дававший ток напряжением 1,5—2 кв. Энергия  передавалась по стальным телеграфным  проводам диаметром 4,5 мм на территорию выставки в Мюнхене, где была установлена  такая же машина, работавшая в режиме электродвигателя и приводившая  в действие насос для искусственного водопада. Эта электропередача работала с перебоями (4 дня из 12} по причине  разных неисправностей в сети; ее к. п. д. не превосходил 0,25.

    Хотя  эгот первый опыт и не дал достаточно благоприятных технических результатов, его значение нельзя было недооценивать: электропередача Мисбах — Мюнхен явилась отправным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и средств передачи энергии на расстояние. В то время к вопросу электропередачи подходили чисто эмпирически: закономерности и соотношения параметров еще не были установлены; полагали, что максимальный к. п. д. не может превосходить 50%.

    Некоторые электротехники, современники Депре, придавали  большое значение его опытам, в  то время как некоторые другие, например, видный английский инженер  Вильям Прис, выступали с утверждением о полной неудаче опытов Депре. Находились специалисты, которые вообще оспаривали возможность достижения даже такого к. п. д., какой был при опытах Депре. Поэтому было решено повторить опыты  Депре в несколько иных условиях, но с сохранением основного оборудования передачи Мисбах - Мюнхен.

    Для этого  обе машины были поставлены рядом  в здании Северного вокзала в  Париже, а провод, соединяющий машины, имел длину 15 км и был того же сечения, что и в передаче Мисбах — Мюнхен. Измерения показали, что к. п. д. достигает 0,48. Так как некоторые специалисты  пытались опорочить и эти результаты, пришлое заново поставить все  опыты в реальных условиях; так  родилась вторая опытная передача (1883 г.) из Визиля в Гренобль.

    Линия Визиль - Тренобль представляла собой своего рода контрольную установку, осуществленную Депре в 1883 г. на участке протяженностью 14 км. В Визиле можно было использовать энергию водопада для приведения в действие водяной турбины; генератор  постоянного тока имел мощность 11,5 л. с. Передача осуществлялась током  высокого напряжения, причем к. п. д. был  равен 0,62. Энергия, переданная в Гренобль (примерно 7 л. с.), была использована для  вращения нескольких электродвигателей  для печатных машин.

    В 1885 г. были произведены опыты еще в большем  масштабе — на расстоянии 56 км между  Крейлем и Парижем. В качестве генераторов постоянного тока высокого напряжения были использованы специально построенные машины, дававшие напряжение до 6 кв. Вес такой машины был около 70 т, мощность — около 50 л. с.

    Измерения показали, что был достигнут к. п. д. около 0,45. Через некоторое время  Фонтен показал, что такой результат  вполне достижим при последовательном соединении четырех электрических  машин соответственно меньшего напряжения, а следовательно, и веса. В условиях, сходных с электропередачей Крейль — Париж, Фонтен получил к.п.д. равный 0,82, и этим окончательно опроверг укореивщееся мнение о том, будто максимальный к. п. д. при электропередачах не может  превосходить 0,5.

    В эти  годы были осуществлены единичные установки  передачи электроэнергии для промышленного  использования. Так, например, в Швейцарии  завод Эрликон осуществил электропередачу  мощностью 50 л. с. на расстояние 7,4 км между  Золотурном и Кригштедтеном с  к. п. д. 0,75, а также некоторые другие электропередачи.

    Тем не менее  попытки решить проблему электропередачи  посредством постоянного тока, осуществленные в 80-х годах, следует считать неудачными. При этом важно подчеркнуть возникшее  существенное противоречие.

    С одной  стороны, практика проектирования и  производства электрических машин  и аппаратов постоянного тока получила уже значительное развитие, двигатели постоянного тока обладали хорошими рабочими характеристиками, отвечавшими большинству требований промышленности.

    С этой точки  зрения не было серьезных препятствий  к тому, чтобы приступить к широкой  электрификации силового аппарата промышленности. Но, с другой стороны, широкая электрификация промышленности может быть осуществлена в больших масштабах только при  централизованном производстве электроэнергии, а следовательно, только при обеспечении  передачи электроэнергии на значительные расстояния. 

    Однако  для передачи энергии требовалось  получать высокие напряжения, а технические  возможности того времени не позволяли  строить генераторы постоянного  тока высокого напряжения; примером этого  могут служить машины Депре, которые  часто выходили из строя из-за порчи  изоляции.

    Вообще  говоря, в любом случае передача энергии при генераторном напряжении ограничена сравнительно низкими пределами. Кроме того, электроэнергию постоянного  тока высокого напряжения не представлялось возможным легко использовать у  потребителя: нужно было строить  двигатель-генераторную установку  для преобразования тока высокого напряжения в ток низкого напряжения.

    В связи  с этим понятен тот интерес, который  начинают проявлять многие электрики  с середины 80-х годов к переменному  току. Как раз к середине 80-х  годов техника переменного тока получила уже такое развитие, что  оказалось вполне возможным начать работы по электрификаци на базе переменного тока.

2. Передача электроэнергии на расстояния и ее потребители

    Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров. 
Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с законом Джоуля — Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой 
Q=I2Rt 
где R — сопротивление линии. При большой длине линии передача энергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерь можно, конечно, идти по пути уменьшения сопротивления R линии посредством увеличения площади поперечного сечения проводов. Но для уменьшения R, к примеру, в 100 раз нужно увеличить массу провода также в 100 раз. Ясно, что нельзя допустить такого большого расходования дорогостоящего цветного металла, не говоря уже о трудностях закрепления тяжелых проводов на высоких мачтах и т. п. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем: уменьшением тока в линии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшает количество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тот же эффект, что и то стократного утяжеления провода. 
Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причем, чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, например, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва используют напряжение в 500 кв. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16—20 кв., так как более высокое напряжение потребовало бы принятия более сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов. 
Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока. Потери потери  
Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Причем обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходит в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, - все шире.  
Электрические станции ряда областей страны соединены высоковольтными линиями передач, образуя общую электросеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение называется энергосистемой. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям не зависимо от их месторасположения.