Электроэнергия становится товаром. Первые электростанции

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 прошлого столетия место производства электроэнергии не было отделено от места потребления.

Электрические станции, обеспечивавшие электроэнергией ограниченное число потребителей, назывались блок-станциями (не путать с современным понятием блок-станций, под которым некоторые авторы понимают фабрично-заводские теплоэлектроцентрали). Такие станции иногда называли «домовыми».

В связи с трудностями регулировки системы дугового освещения на первых порах строились специализированные блок-станции: одни для дуговых ламп, другие — для ламп накаливания. Иногда на одной и той же станции генераторы разделяли на две соответствующие группы.

Развитие первых электростанций было сопряжено с преодолением трудностей не только научно-технического характера. Так, городские власти запрещали сооружение воздушных линий, не желая портить внешний вид города. Конкурирующие газовые компании всячески подчеркивали действительные и мнимые недостатки нового вида освещения.

На электрических блок-станциях, строившихся в конце 70-х и в начале 80-х годов прошлого столетия, в качестве первичных двигателей применялись в основном поршневые паровые машины. В отдельных случаях использовались двигатели внутреннего сгорания, в то время являвшиеся новинкой. Для удешевления паросиловой части блок-станций широко применялись локомобили. От первичного двигателя к электрическому генератору делалась ременная передача, позволявшая приводить в движение быстроходные электрические генераторы от сравнительно тихоходных паровых машин, имевших частоту вращения не более 200 об/мин.

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 генератораторов 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.

Исходное напряжение первых электростанций, от которого впоследствии были произведены другие, образующие известную шкалу напряжений, сложилось исторически.

Дело в том, что в период исключительного распространения дугового электрического освещения эмпирически было установлено, что наиболее подходящим для горения дуги является напряжение 45 В. Чтобы уменьшить токи короткого замыкания, которые возникали в момент зажигания ламп (при соприкосновении углей), и для более устойчивого горения дуги включали последовательно с дуговой лампой балластный резистор.

Так же эмпирически было найдено, что сопротивление балластного резистора должно быть таким, чтобы падение напряжения на нем при нормальной работе составляло примерно 20 В. Таким образом, общее напряжение в установках постоянного тока сначала составляло 65 В, и это напряжение применялось долгое время. Однако часто в одну цепь включали последовательно две дуговые лампы, для работы которых требовалось 2 x 45 = 90 В, а если к этому напряжению прибавить еще 20 В, приходящиеся на сопротивление балластного резистора, то получится напряжение 110 В. Это напряжение почти повсеместно было принято в качестве стандартного, и именно оно открывает современную шкалу напряжений, хотя причина выбора давно забыта.

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.

Положение осложнялось еще и тем, что на первых электростанциях приходилось размещать большое число котлов, паропроизводительность которых не соответствовала новым требованиям, предъявленным электроэнергетикой.

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.

Строители исходили из соображений дешевого водоснабжения, кроме того, при таком решении не нужно было покупать земельные участки, близкие к потребителю.

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.

Ограниченные возможности расширения радиуса электроснабжения привели к тому, что удовлетворить спрос на электроэнергию со временем становилось все труднее. Так, в Петербурге и Москве к середине 90-х годов возможности присоединения новой нагрузки к существующим станциям были исчерпаны и встал вопрос об изменении схем сети или даже об изменении рода тока.

На центральных станциях с ростом их мощности локомобили, применявшиеся в качестве первичных двигателей блок-станций, постепенно вытеснялись стационарными машинами. Мощность их машин составляла 100—300 л.с, частота вращения вала была относительно невелика (100—200 об/мин), что привело к необходимости ввести между машиной и генератором ременную или канатную передачу.

В котельной ранних тепловых электростанции устанавливались жаротрубные котлы, однако вскоре в связи с ростом мощности потребовались котлы более высокой паропронзводительность — водотрубные паровые. В конце XIX и начале XX вв. преимущественное распространение в котельных зарубежных электростанции получили котлы Бабкок-Вилькокс, а в России — котлы системы Шухова.

Основным топливом котельных с ручной загрузкой служил уголь, сжигавшийся на плоских колосниках. Расход угля при таком способе сжигания и отсутствии экономайзеров, подогрева воздуха и при плохой изоляции в 3—4 раза превышал расходы современных станций.

Рост потребностей в электроэнергии эффективно стимулировал повышение производительности и экономичности тепловой части электрических станций. Прежде всего следует отметить решительный поворот от поршневых паровых машин к паровым турбинам. Первая паровая турбина на электростанциях России была установлена в 1891 г. в Петербурге (станция на реке Фонтанке). За год до этого испытание турбины было проведено на станции расположенной на реке Мойке.

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. Гонкпнсоном и независимо от него Т. Эдисоном. При этой системе генераторы на электростанции соединялись последовательно и от обшей 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 тон 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 нашего 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 прошлого 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, которые через последовательно включенные трансформаторы Голяра и Гиббса работали на освещение галереи. Недостатки последовательного включения трансформаторов и, в частности, трудности поддержания постоянства тока были выявлены довольно быстро, и 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 вращении вала паровых поршневых двигателей также сильно отставала от нормальной скорости электрогенераторов. Этим в частности объясняется своеобразная конструкция электрических генератором 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.

В России крупнейшие станции однофазного тока были сооружены в конце 80-х и начале 90-х годов. Первая центральная электростанция построена венгерской фирмой «Ганц и К » в Одессе в 1887 г. Основным потребителем энергии была система электрического освещения нового театра.

Эта электростанция представляла собой прогрессивное для своего времени сооружение. Она имела 4 водотрубных котла общей производительностью 5 т пара в час, а также два синхронных генератора общей мощностью 160 кВт при напряжении на зажимах 2 кВ и частоте 50 Гц. От распределительного шита энергия поступала в линию длиной 2,5 км, ведущую к трансформаторной подстанции театра, где напряжение понижалось. Оборудование электростанции было столь совершенным для своею времени, что, несмотря на то, что топливом служили привозной английский уголь, стоимость электроэнергии была ниже, чем на более поздних петербургских и московских электростанциях. Расход топлива составлял .1,4 кг/кВт ч (на петербургских электростанциях — 3,9—5,4 кг/кВтч).

В том же году началась эксплуатация электростанции постоянного тока в Царском Селе (ныне г. Пушкин). Протяженность воздушной сети в Царском Селе уже в 1887 г. была около 64 км, тогда как два года спустя суммарная кабельная сеть «Общества 1886 г.» в Москве и Петербурге, составляла только 115 км. В 1890 г. Царскосельская станция и сеть были реконструированы и переведены на однофазный переменный ток напряжением 2 кВ. По свидетельству современников, Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.

Крупнейшей в России электростанцией однофазного тока была станция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в 1894 г. инженером Н. В. Смирновым. Мощность ее составляла 800 кВт и превосходила мощность любой существовавшей в то время станции постоянного тока. В качестве первичных двигателей использовались четыре вертикальные паровые машины мощностью 250 лс. каждая. Применение переменного тока напряжением 2000 В позволило упростить и удешевить электрическую сеть и увеличить радиус электроснабжения (более 2 км при потере до 3 % напряжения в магистральных проводах вместо 17—20 % в сетях постоянного тока).

Таким образом, опыт эксплуатации центральных станций и сетей однофазного тока показал преимущества переменного тока, но вместе с тем, как уже отмечалось, выявил ограниченность его применения. Однофазная система тормозила развитие электропривода, усложняла его. Так, например, при подключении силовой нагрузки к сети Дептфордской станции приходилось Дополнительно помешать на валу каждого синхронного однофазного двигателя еще разгонный коллекторный двигатель переменного тока. Легко понять, что такое усложнение электропривода делало весьма сомнительной возможность его широкого применения.

Веселовский О. Н. Шнейберг Я. А. Очерки по истории электротехники