Развитие электростанций

1. Развитие электростанций

Электростанции, под которыми понимают фабрики по производству электрической  энергии, подлежащей распределению  между различными потребителями, появились  не сразу. В 70-х и начале 80-х годов  XIX века место производства электроэнергии не было отделено от места потребления.

Электрические станции, обеспечивавшие электроэнергией ограниченное число  потребителей, назывались блок-станциями. Такие станции иногда называли «домовыми». В качестве первичных двигателей применялись в основном поршневые паровые машины.

Впервые блок-станции были построены  в Париже для освещения улицы  Оперы. В России первой установкой такого рода явилась станция для освещения Литейного моста в Петербурге, созданная в 1879 году при участии П. Н. Яблочкова. С конца 1881 г. возникают блок-станции, в сети которых включались как дуговые лампы, так и лампы накаливания.

Однако идея централизованного  производства электроэнергии была настолько  экономически оправданной и настолько  соответствовала тенденции концентрации промышленного производства, что первые центральные электростанции возникли уже в середине 80-х годов и быстро вытеснили блок-станции. В связи с тем, что в начале 80-х годов массовыми потребителями электроэнергии могли стать только источники света, первые центральные электростанции проектировались, как правило, для питания осветительной нагрузки и вырабатывали постоянный ток.

В 1881 г. несколько предприимчивых американских финансистов под впечатлением успеха, которым сопровождалась демонстрация ламп накаливания, заключили соглашение с Эдисоном и приступили к сооружению первой в мире центральной электростанции (на Пирль-стрит в Нью-Йорке). В сентябре 1882 г. эта электростанция была сдана в эксплуатацию.

В машинном зале станции  было установлено шесть генераторов Эдисона. Мощность каждого генератора составляла около 90 кВт, а общая мощность электростанции превышала 500 кВт. Здание станции и ее оборудование были спроектированы весьма целесообразно, так что в дальнейшем при строительстве новых электростанций развивались многие из тех принципов, которые были предложены Эдисоном.

Так, генераторы станций имели искусственное  охлаждение и соединялись

непосредственно с двигателем. Напряжение регулировалось автоматически. На станции  осуществлялись механическая подача топлива  в котельную и автоматическое удаление золы и шлака. Защита оборудования от токов короткого замыкания осуществлялась плавкими предохранителями, а магистральные линии были кабельными. Станция снабжала электроэнергией обширный по тому времени район площадью 2,5 км. Вскоре в Нью-Йорке было построено еще несколько станций.

Уже при проектировании первых центральных  электростанций столкнулись с трудностями, которые в достаточной степени  не были преодолены в течение всего  периода господства техники постоянного  тока. Радиус электроснабжения определяется допустимыми потерями напряжения в электрической сети, которые для данной сети тем меньше, чем выше напряжение. Именно эти обстоятельства заставляли строить электростанции в центральных районах города, что существенно затрудняло не только обеспечение водой и топливом, но и удорожало стоимость земельных участков для строительства станций, так как земля в центре города была чрезвычайно дорога. Этим в частности объясняется необычный вид нью-йоркских станций, на которых оборудование располагалось на многих этажах. 

Не менее удивился бы наш современник, увидев первые петербургские  электростанции, которые обслуживали  район Невского проспекта. В начале 80-х годов они размещались на баржах, закрепленных у причалов на реках Мойке и Фонтанке.

В 1886 г. в Петербурге было учреждено  акционерное «Общество электрического освещения 1886 г.» (сокращенно называлось «Общество 1886 г.»), которое приобрело  станции на реках Мойке и Фонтанке и построило еще две: у Казанского собора и на Инженерной площади. Мощность каждой из этих станций едва превышала 200 кВт.

В Москве первая центральная электростанция (Георгиевская) была построена в 1886 г. тоже в центре города, на углу Большой  Дмитровки (ныне Пушкинская ул.) и Георгиевского  переулка. Ее энергия использовалась для освещения прилегающего района. Мощность станции составляла 400 кВт.

В рассматриваемый период гидроэлектростанции строились  редко в связи с трудностями  передачи электроэнергии на большие  расстояния. Выше уже отмечался наиболее существенный недостаток электроснабжения постоянным током — слишком малая площадь района, которая может обслуживаться центральной электростанцией. Удаленность нагрузки не превышала нескольких сотен метров.

Электростанции — предприятия  стремились расширить круг потребителей своего товара — электроэнергии. Этим объясняются настойчивые поиски путей увеличения площади электроснабжения при условии сохранения уже построенных станций постоянного тока. Было найдено несколько путей увеличения радиуса распределения энергии.

Первая идея, не получившая заметного распространения, касалась понижения напряжения электрических ламп, подключающихся в конце линии. Однако расчеты показали, что при протяженности сети более 1,5 км экономически выгодней было построить новую электростанцию.

Другое решение, которое  могло во многих случаях удовлетворить  потребность, состояло в изменении  схемы сети, переход от двухпроводных  сетей к многопроводным, т.е. фактически к повышению напряжения.

Трехпроводная система распределения  электроэнергии была предложена в 1882 г. Дж. Гопкинсоном и независимо от него Т. Эдисоном. При этой системе генераторы на электростанции соединялись последовательно, и от общей точки шел нейтральный или компенсационный провод. При этом обычные лампы сохранялись. Они включались, как правило, между рабочими и нейтральным проводами, а двигатели для сохранения симметрии нагрузки можно было включать на повышенное напряжение (220 В).

Если нагрузки в обеих ветвях трехпроводной системы была одинаковой, то в нейтральном проводе тока не было. В других случаях в нейтральном проводе появлялся ток, который обычно был много меньше рабочего тока. Последнее обстоятельство позволяло выбирать сечение нейтрального провода меньшим (обычно 1/2 или 1/3 сечения рабочего провода).

Не следует упускать из виду, что сечение рабочих проводов при этом тоже уменьшалось по сравнению с сечением проводок в двухпроводной системе. Это объяснялось тем, что при увеличении напряжения вдвое ток при той же мощности вдвое уменьшался, а потери, пропорциональные квадрату тока, снижались вчетверо. Практическими результатами введения трехпроводной системы явилось, во-первых, увеличение радиуса электроснабжения примерно до 1200 м, во-вторых, относительная экономия меди (при всех прочих одинаковых условиях расход меди при трехпроводной системе был практически вдвое меньше, чем при двухпроводной).

Для регулирования напряжения в  ветвях трехпроводной сети применялись

различные устройства: регулировочные дополнительные генераторы, делители напряжения, в частности, получившие значительное распространение делители напряжения Доливо-Добровольского, аккумуляторные батареи. Трехпроводная система широко применялась как в России, так и за рубежом. Она сохранилась вплоть до 20-х годов XX века, а в отдельных случаях применялась и позднее.

Максимальный вариант многопроводных систем — пятипроводная сеть постоянного тока, в которой применялись четыре последовательно включенных генератора, и напряжение увеличивалось вчетверо. Радиус электроснабжения возрастал до 1500 м. Однако сравнительно незначительное увеличение радиуса электроснабжения достигалось в этом случае за счет существенного усложнения сети, повышения напряжения до опасных пределов, усложнения регулирования равномерности нагрузки отдельных ветвей. Поэтому пятипроводная система не получила широкого применения, хотя ее автор В. Сименс предполагал, что пятипроводная система будет с успехом конкурировать с системами переменного тока.

Третий путь увеличения радиуса  электроснабжения предполагал сооружение аккумуляторных подстанций. Аккумуляторные батареи были в то время обязательным дополнением каждой электростанции. Они покрывали пики нагрузок. Заряжаясь в дневные и поздние ночные часы, они служили резервом. Аккумуляторные батареи так же, как и на современных электростанциях (где, впрочем, эти батареи выполняют иные функции — питание цепей управления, защиты, автоматики и аварийного освещения), размещались в специальных обширных помещениях.

Для увеличения радиуса электроснабжения аккумуляторные батареи устанавливались  на подстанциях в двухпроводных сетях постоянного тока. Эти подстанции сооружались вблизи отдельных потребителей. Группы аккумуляторных батарей, соединенные последовательно, заряжались от центральной станции при двойном напряжении, а при параллельном соединении они питали местную нагрузку.

Сети с аккумуляторными подстанциями получили некоторое распространение. В Москве, например, была построена  в 1892 г. аккумуляторная подстанция в  Верхних торговых рядах (ныне ГУМ), находившаяся на расстоянии 1385 м от Георгиевской центральной станции. На этой подстанции были установлены аккумуляторы, питавшие около 2000 ламп накаливания.

В последние два десятилетия  XIX века было построено много электростанций

постоянного тока, и они долгое время давали значительную долю общей  выработки электроэнергии. Мощность таких электростанций редко превышала 500 кВт, агрегаты обычно имели мощность до 100 кВт.

Все возможности увеличения радиуса  электроснабжения при постоянном токе довольно быстро были исчерпаны. Многопроводные сети и сети с аккумуляторными  подстанциями могли еще удовлетворять потребности малых и средних городов, но совершенно не отвечали нуждам крупного города.

В 80-х годах начинают сооружаться станции переменного  тока, выгодность которых с точки  зрения увеличения радиуса электроснабжения была бесспорной.

Если не считать блок-станций  переменного тока, построенных в  Англии в 1882—1883 гг., когда появились  трансформаторы Голяра и Гиббса, то, по-видимому, первой постоянно действовавшей  электростанцией переменного тока можно считать станцию Гровнерской галереи (Лондон).

На этой станции, пущенной в эксплуатацию в 1884 г., были установлены  два генератора переменного тока Сименса, но в 1886 г. эта станция была реконструирована по проекту С. Ц. Ферранти. Генераторы Сименса были заменены машинами конструкции Ферранти каждая мощностью 1000 кВт с напряжением на зажимах 2,5 кВ. Трансформаторы, изготовленные по проекту Ферранти, включались в цепь параллельно и служили для снижения напряжения в непосредственной близости от потребителей.

В 1889—1890 гг. Ферранти вновь вернулся к проблеме электроснабжения Лондона. На этот раз была поставлена задача обеспечить электроэнергией весь район лондонского Сити. Но поскольку компания, финансировавшая работы, не соглашалась оплатить высокую стоимость земельного участка в центре города, Ферранти выбрал место для новой центральной электростанции в одном из предместий Лондона, в Дентфорде, находящемся в 12 км от Сити.

Построить электростанцию на таком  большом расстоянии от места потребления  электроэнергии можно было только при  условии, что она будет вырабатывать переменный ток.

При сооружении этой установки были применены мощные по тому времени  машины высокого напряжения. Были установлены генераторы мощностью по 1000 л.с. с напряжением 10 кВ, причем в отличие от старых генераторов, которые приводились в движение от паровой машины при помощи канатной передачи, новые генераторы были

непосредственно соединены с быстроходными вертикальными паровыми машинами.

Частота вращения вала паровых поршневых двигателей также сильно отставала от нормальной скорости электрогенераторов. Этим, в частности, объясняется своеобразная конструкция электрических генераторов того времени, они имели большие диаметры и малые длины. Такие же в общем соотношения между диаметром и длиной машины сохранились и в настоящее время на гидростанциях с относительно тихоходными водяными проймами в качестве первичного двигателя. Общая мощность дентфордской станции составляла около 3000 кВт.

На четырех городских подстанциях, питавшихся по четырем магистральным  кабельным линиям, напряжение понижалось до 2400 В), а затем уже у потребителей (в домах) напряжение понижалось до 100 В.

Примером крупной гидростанции однофазного тока, питавшей осветительную нагрузку, может служить станция, построенная в 1889 г, на водопаде вблизи Портленда (США). На этой станции гидравлические двигатели приводили в действие восемь однофазных генераторов общей мощностью 720 кВт. Кроме того, на станции были установлены 11 генераторов, предназначенных специально для питания дуговых ламп (по 100 ламп на каждый генератор). Энергия этой станции передавалась на расстояние 14 миль в Портленд.

Характерная особенность первых электростанции переменного тока — изолированная работа отдельных машин. Синхронизация генераторов еще не производилась и от каждой машины шла отдельная цепь к потребителям. Легко понять, насколько неэкономичными при таких условиях оказывались электрические сети, на сооружение которых расходовались колоссальные количества меди и изоляторов.