Первые попытки передачи электроэнергии на расстояние. Часть 1

Венская международная выставка 1873 г.

Первые опыты передачи электрической энергии на расстояние относятся к самому началу 70-х годов. В 1873 г. на Венской международной выставке французский электрик И. Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин.

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.

Опыты по передаче электрической энергии Пироцкого

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.

Передача с помощью повышения напряжения

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 этот 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.