Ток в пути. Яблочков и Доливо-Добровольский

Электрический ток от электростанции до потребителя может проделывать долгий путь. Сегодня технически возможна передача на 2,5 тыс км — как от Москвы до Парижа. А в 1873 году французский электрик И. Фонтен впервые продемонстрировал такую возможность в принципе: в его опыте ток шёл от генератора к двигателю по кабелю длиной 1 км. Препятствием к промышленному использованию электричества были высокие потери в линии. Пробовали для их уменьшения использовать проводники увеличенного сечения (русский инженер Ф. Пироцкий), однако это вело к громадным затратам металла.

В 1880-е годы француз М. Депре и русский Д. Лачинов обосновали теоретическую возможность и экономическую целесообразность транспортировки электроэнергии при повышенном напряжении в линии. Некоторые построенные ЛЭП длиной несколько десятков км с напряжением до 6,8 кВ постоянного тока и КПД до 0,82 использовались для небольших производств.

Но высоковольтные генераторы часто выходили из строя, а для преобразования постоянного тока в «потребительские форматы» на выходе требовалась пара «высоковольтный двигатель – низковольтный генератор». В предыдущих номерах газеты мы рассказывали об этом.

Между тем, уже в 1870-е Павел Николаевич Яблочков для своих «электрических свечей» использовал и усовершенствовал генераторы переменного тока, а для одновременного включения ламп в сеть изобрёл метод «дробления энергии» — посредством индукционных катушек и, впоследствии, трансформаторов. (О «Русском свете Яблочкова» и «Трансформации трансформатора» мы тоже рассказывали). Получилась вполне современная схема электропередачи: двигатель – генератор - трансформатор – линия – трансформатор – нагрузка. В 1883 г. пустился в путь поезд по освещённой таким способом 23-километровой ветке Лондонского метро.

Но переменный ток встретил противодействие тогдашних электрических компаний и их идеолога (и акционера) Т. Эдисона, которые ориентировались на ток постоянный.

Однако промышленности объективно была необходима система генерации электроэнергии, её экономичной передачи на большие расстояния и разработка простого и высокоэффективного двигателя переменного тока,

В основу решения проблемы легли теоретические выводы итальянского физика Галилео Феррариса: два переменных тока, отличающихся по фазе на 90°, во вращающемся магнитном поле могут производить механическую работу. Созданные на этом принципе многофазные машины сочетали бы электрическую и механическую уравновешенность системы, снижение материалоёмкости из-за меньшего числа проводников и, в конечном счёте, надёжность и экономичность.

Серб Никола Тесла в 1888 г. построил двухфазные генератор и двигатель, у которых не было ни скользящих контактов, ни коммутатора либо коллектора, и только три провода вместо четырёх.

Русский Михаил Осипович Доливо-Добровольский создал вращающееся трёхфазное поле, более совершенное, чем двухфазное, в 1888 г. сделал первый трёхфазный синхронный генератор мощностью около 3 кВт, в 1889 — удивительно простой трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, принцип которого работает и в наши дни. Он исследовал соединения звездой и треугольником и экспериментировал с токами различной силы и с машинами с разным числом пар и полюсов. Вместо трёх однофазных трансформаторов изобрёл трёхфазный – сначала с радиальным расположением обмоток, потом – с параллельным (как сейчас).

В 1891 году во время Франкфуртской электротехнической выставки состоялась триумфальная демонстрация всей системы. Трёхфазным током напряжением 8500 вольт удалось передать от гидротурбины мощностью в 300 л.с на Лауфенском водопаде на 175 км — во Франкфурт-на-Майне, с использованием трансформатора 150 кВА, энергию с коэффициентом полезного действия 77,4%. На выставке зажглась тысяча ламп, запитанных пониженным на выходе до 65 В напряжением, двигатель 75 кВт качал воду для декоративного водопада…

И промышленная электрификация пошла именно по трёхфазному пути, стала фактором глобализации экономики. (Кстати, в России такая электростанция — 4 генератора по 300 кВт, 250 В, 25 Гц — была задействована уже в 1893 году в Новороссийске. Она была самая мощная и современная в мире. Сегодня протяженность сетей 0,4—1150 кВ в России — 2,65 млн км).

Человечество идёт дальше, замахнулось на преодоление «коммерческого барьера» новых — высокотемпературных сверхпроводниковых технологий в электроэнергетике. Российская программа Единой национальной электрической сети на этом пути предполагает сокращение потерь энергии в 2 раза, снижение массогабаритных показателей оборудования, повышение надежности и срока эксплуатации систем… В США первая линия — 350 метров — на 34,5 кВ более года обеспечивала электроэнергией 25 тыс. жилых и офисных зданий. Сейчас запущена 600-метровая — 138 кВ, 2,4 кА, мощность 574 МВА.

А Доливо-Добровольский в последние годы жизни задумывался о дальних передачах… постоянного тока высокого напряжения по подземным кабелям.

Интересно, что Китай намерен построить на постоянном токе воздушную ЛЭП которая должна передавать 3000 МВт на расстояние 920 км. А московское правительство планирует заменить на подземные кабели тысячу километров опутавших столицу воздушных высоковольтных ЛЭП, — это вернёт 10% её территории, сейчас не используемой по санитарным нормам.

Ток, по-прежнему, в пути.