История развития основного высоковольтного оборудования. Часть 2

Начиная с 1880 г. предпринимаются попытки проложить силовые кабели, рассчитанные на напряжение до 200 В. Предварительный многолетний опыт эксплуатации телеграфных линий лег в основу построения первых сильноточных кабелей. В качестве изоляции использовали гуттаперчу и пропитанный джут. В 1882 г. Т. А. Эдисон разработал специальную конструкцию кабеля и кабельной муфты для сети первой центральной электрической станции в Нью-Йорке. В 1884 г. в Вене был проложен кабель с рабочим напряжением 2 кВ.

В конце 80-х и начале 90-х годов в кабельной технике произошли решающие изменения благодаря вводу нового вида изоляционного материала: пропитанной бумаги взамен джута. Бумажная изоляция позволила повысить напряжение силовых кабелей с 2 до 10 кВ. Для увеличения механической прочности и герметичности силовые кабели, так же как и кабели связи, стали покрывать свинцовой оболочкой. В 1908 г. появились первые трехжильные кабели на напряжение 20 кВ с поясной изоляцией и вязкой пропиткой. Такой кабель был проложен в Баку (работает до настоящего времени). В 1910 г. в Германии между Дессуа и Биттерфельдом впервые был проложен одножильный кабель на напряжение 60 кВ. Более широкое распространение силовых высоковольтных кабелей (на напряжение 35 кВ) началось лишь после окончания первой мировой войны.

Кабельная техника развивалась в тесном взаимодействии с научными исследованиями электрического поля. Разработкой теории электрического кабеля занимался русский физик П. Д. Войнаровский. В 1913 г. Хох-штедтер (Германия) на основе теоретических разработок предложил конструкцию кабеля с экранированными жилами. Экранирование жил позволило в 1918—1919 гг. начать изготовление трехжильных кабелей на напряжения до 60 кВ. Однако по мере роста электрических распределительных сетей преимущественное распространение получили более дешевые воздушные линии.

Изоляция воздушных линий электропередач вначале была целиком заимствована у телеграфных линий. Первоначально это были штыревые, стеклянные или фарфоровые колоколообразные изоляторы. На рубеже 80—90-х годов потребовалось усиление изоляции: специальную выемку в штыревых изоляторах заполняли маслом — так возникли фарфорово-масляные изоляторы. Эмпирически была определена их наиболее рациональная конструктивная форма — с длинными и тонкими фарфоровыми юбками типа «Дельта» (Германия). Этот изолятор мог быть использован для напряжений 60—70 кВ. Но в начале XX в. при строительстве высоковольтных трасс на одно из первых мест снова выдвинулась проблема линейной изоляции. Недостаточная механическая и электрическая прочность штыревых изоляторов ограничивала пропускную способность электропередач. Благоприятный выход нашел в 1906 г. Хьюлетт: он разработал конструкцию подвесных фарфоровых изоляторов, что позволило резко увеличить напряжение электропередач. В 1908—1912 гг. с применением подвесных изоляторов были сооружены первые линии на напряжение 110 кВ в США, а позднее и в Германии. Область применения штыревых изоляторов, как правило, стала ограничиваться 60 кВ и ниже.

Другое затруднение на пути введения высоких напряжений возникло в связи с явлением короны на высоковольтных проводах. Коронирование сопровождалось значительной потерей энергии. Первые попытки экспериментально определить потери энергии на корону были предприняты американским исследователем Ч. Скоттом в 1898 г. в линии электропередачи напряжением 20 кВ. Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования в 1910—1914 гг. проводили В. Ф. Миткевич в России,. Ф. Пик в Америке, Г. Капп в Англии. Результаты этих исследований показали, что уменьшить потери на корону можно, увеличив действительный,, или «электрический», диаметр провода. Этот вывод послужил основой для широкого распространения сталеалюминиевых и алюминиевых проводов, поскольку при равной проводимости диаметр этих проводов оказывался больше, чем медных. Использование алюминия было впервые предпринято в США на электрической установке Ниагары в конце 90-х годов прошлого столетия. К 1910 г. алюминиевые провода получили довольно широкое распространение.

В конце первого десятилетия XX в. стали применять медные провода с пеньковой основой — предвестники полых проводов, также используемых для уменьшения потерь на тихий разряд. Вывод о рациональности увеличения диаметра проводов привел В. Ф. Миткевича (1910 г.) к идее-расщепленных проводов, распространенных в современных электропередачах сверхвысоких напряжений.

Одновременно с сооружением первых электрических установок возникла проблема борьбы с перенапряжениями. Реальную опасность представляли перенапряжения, индуктируемые в воздушных проводах при близких грозовых разрядах. Исторически первыми средствами защиты от атмосферного электричества были приспособления, заимствованные из практики грозозащиты зданий и телеграфных линий связи: заземленные тросы, стержневые молниеотводы и снабженные плавкими вставками телеграфные громоотводы, являющиеся прототипом разрядников.

В 90-е-годы появилось много видов грозозащитных аппаратов, основанных на различных принципах действия: водоструйные заземлители, постепенно снижавшие перенапряжения электростатического происхождения; разрядники с искровым промежутком и принудительным гашением дуги, катушки самоиндукции, предложенные английским физиком О. Лоджем в качестве фильтров для импульсных токов молнии и др.

При конструировании разрядников наиболее сложная задача заключалась в надежном гашении дуги сопровождающего тока, величина которого стремительно росла вместе с повышением мощностей электрических станций. Много изобретательности и неудачных попыток ученых и инженеров различных стран было связано с созданием разрядников.

В 1891 г. И. Томсон предложил конструкцию с многократным разрывом дуги — принцип, нашедший полное признание лишь в 20—30-е годы XX в. при одновременном использовании в разрядниках токоограничивающих сопротивлений с вентильными свойствами.

Начиная с 1896 г. самым распространенным видом разрядника становится роговой громоотвод, предложенный немецким электротехником Э. Олыплегером. К 1900 г. он завоевал почти полную монополию в сетях напряжением до 10 кВ. Благодаря многочисленным усовершенствованиям роговых разрядников этот тип грозозащиты надолго удержался в европейских сетях напряжением до 50—60 кВ. Америка пошла по другому пути.

Начиная с 1907 г. там распространились алюминиевые разрядники, отвечающие требованиям работы сетей напряжением 100— 150 кВ. Разрядник не обладал безупречными характеристиками и надежностью действия и явился лишь временной защитной мерой (до начала 20-х годов).

В течение двух первых десятилетий XX в. не прекращались поиски иных средств защиты от перенапряжений, в том числе обследовалась эффективность грозозащитных тросов — теория тросовой защиты была выдвинута немецким ученым В. Петерсеном в 1914 г. Проверялись защитные свойства высоковольтных конденсаторов и катушек индуктивности. В целом защита от перенапряжений оставалась нерешенной проблемой. Предохранение от прямых ударов молнии считалось совершенно невозможным. Это объяснялось малой изученностью молнии и процессов распространения волн перенапряжений по проводам, а также быстрым моральным старением защитных средств, развитие которых не поспевало за стремительным ростом напряжений и мощностей электрических установок. Положение усугублялось тем, что в мощных сетях проявлялись коммутационные перенапряжения. Техника защиты пошла по ложному пути совмещения в одном аппарате функций защиты от атмосферных и от внутренних перенапряжений.

Средства защиты от сверхтоков также прошли длительный путь развития, прежде чем стать специальной отраслью — релейной защитой. Предохранение от токов коротких замыканий первоначально было довольно примитивным. До конца 90-х годов XIX в. практически единственным средством защиты электрооборудования от чрезмерно больших токов были плавкие предохранители. Это были надежные устройства, применявшиеся на напряжении до 6 кВ. Однако плавкие предохранители не могли обеспечить селективного отключения поврежденных участков сети, а также справиться с прерыванием больших токов в мощных сетях, ограничивая тем самым рост мощности электрических установок.

На смену плавким предохранителям пришли реле. Еще в 90-х годах стали применять сначала максимальные автоматические выключатели, а затем максимальные электромагнитные реле, которые настраивали на определенные значения тока. Превышения установленного тока при авариях вызывали срабатывание реле, подающего сигнал на отключение поврежденного участка.

Защита совершенствовалась. В начале 900-х годов появилось несколько типов реле: токовые, напряжения, направления мощности. Но пока вопросы правильного согласования значений тока, напряжения и выдержек времени были мало изучены и им не придавалось еще нужного значения, происходили частые неселективные срабатывания.

В первом и в начале второго десятилетия XX в. зародились новые направления релейной защиты: устройства, основанные на применении нелинейных элементов электрических цепей, и прежде всего насыщенных сталей. Так, в 1911 г. в Америке были применены быстронасыщающиеся трансформаторы, изменяющие соответствующим образом время срабатывания реле.

Шухардин С. "Техника в её историческом развитии"