Энергетика

Электропередача на большие расстояния

Первые опыты передачи электрической энергии можно отнести к началу 1870-х. На Международной  выставке в Вене в 1873 г. французский инженер Ипполит Фонтен (1833—1917) демонстрировал обратимость электрических машин. Тогда все они были сконструированы на постоянном токе, об использовании переменного напряжения, тем более трехфазного, никто еще и не помышлял. Одна из машин Грамма* работала в режиме генератора, а такая же вторая — в режиме двигателя. Последняя приводила в действие насос искусственного  водопада. Желая несколько снизить мощность насоса (чтобы вода не выплескивалась из бассейна), И. Фонтен решил увеличить сопротивление проводов, соединявших две машины. Для этого он попробовал подсоединить  между ними барабан с кабелем длиной более 1 км.

Так была показана возможность передачи электроэнергии на более или менее значительное по представлениям  того времени расстояние. Вместе с тем сам И. Фонтен не был убежден в целесообразности устройства «дальней» электропередачи, так как при включении соединительного кабеля он получил значительное снижение мощности двигателя,  что свидетельствовало о больших потерях энергии в кабеле (и заодно в обеих электрических машинах).

В 1877 г. российский военный инженер  Федор Аполлонович Пироцкий (1845—1898) выступил в «Инженерном журнале» с таким предложением**: «Ввиду  громадных издержек, необходимых на содержание паровых движителей больших заводов и фабрик, нам пришла мысль о возможности передачи работы воды, как самого дешевого движителя, на известное расстояние посредством гальванического тока, полученного какою-либо динамо-электрическою машиной. <…> У нас в России передача работы может иметь огромное применение, в чем нетрудно убедиться, взглянув на карту: Финляндия представляет целую систему бассейнов воды, расположенных  на значительной высоте, из которых вода, горами, в виде больших и малых водопадов, стремится вниз непроизводительно.

Года два тому назад владелец Нарвского водопада публиковал, что он предлагает в аренду устроенную при водопаде водяную мельницу в 150 лошадиных сил, которая легко может быть расширенною еще на 200 таких сил. В апреле прошлого года в газете Голос также была публикация о продаже имения в Финляндии, близ города Бьеренборга, 12 десятин земли на реке, производящей  водопад силою 830 лошадиных  сил, на которой можно устроить лесопильный завод или мукомольную мельницу. Факты эти не указывают ли на избыток даровой рабочей силы, которую весьма выгодно было бы перенести  в те места, где работа крайне нужна?»

Далее Ф.А. Пироцкий приводил выкладки по определению, «во что примерно обходится в течение года содержание паровых 100 лошадиных сил на заводах, работающих паром»: примерно в 20000 руб., а для завода в 200 л.с. — в 40000 рублей! И приходил  к следующему выводу: «Очевидно, что работа воды, даже переданная на значительное расстояние, с помощью динамо-электрических машин, обойдется,  во всяком случае для заводов во столько же сил, несравненно дешевле.  Не странно ли после этого видеть употребление динамо-электрических машин исключительно лишь для освещения  и частью для гальванопластики,  тогда как они далеко с большею пользою могли бы служить для передачи работы, огня и света, и даже для передачи звука».

Еще в сентябре 1874 г. Ф.А. Пироцкий  приступил к опытам по передаче энергии на артиллерийском полигоне Волкова поля (под Санкт-Петербургом), использовав для этого большую, 6-сильную электрическую машину Грамма с локомобилем и малую — Сименса. Дальность передачи в этих опытах посредством телеграфной проволоки,  соединявшей две машины, составляла лишь несколько десятков саженей. Опыт был затем повторен с той же машиной Грамма и машиной Альтенека такой же мощности, при этом первая вращалась со скоростью 400, а вторая — 370 об/мин. В декабре 1875 г. опыты были проведены с двумя кабинетными машинами Грамма (первую экспериментатор вращал вручную со скоростью 1500 об/мин). Сравнительно небольшую дальность передачи (1 верста телеграфной проволоки) экспериментатор объяснял так: «Большей длины проволоку нельзя было вводить по причине весьма малого количества проволоки (не более 30 саж. в каждой [машине]), заключающейся в самих машинах, не назначавшихся, по [своему] устройству, к передаче работы».

Для уменьшения потерь в линии Ф.А. Пироцкий предложил использовать  в качестве проводников железнодорожные рельсы, сечение которых в 644 раза превышало сечение  обыкновенного телеграфного провода. «Благодаря просвещенному содействию управления Сестрорецкой железной дороги с апреля прошлого 1876 года я начал опыты по приспособлению рельсового пути этой дороги длиною в 3? версты, соединяющего  Сестрорецк с пристанью, в передаче электро-гальванического тока. <…>Опыты, произведенные при употреблении кабинетной машины Грамма с электродвигателем Фромана на протяжении рельсового пути в одну версту, показали, что потеря работы почти незаметна и в землю ток нисколько не уходит. От машины Фромана обратно к машине Грамма обратно шел ток по другому рельсовому пути, и потому работа собственно передавалась на две версты одинакового рельсового пути. <…>После такого  опыта следовало бы с помощью двух динамо-электрических машин Грамма произвести опыт передачи работы и света по приспособленному 7-верстовому рельсовому пути, для определения опытом, в какой мере такая передача может быть полезною для техники вообще».

Однако на последний опыт у управления Сестрорецкой железной дороги, по-видимому, не хватило «еще большего  просвещенного содействия», поскольку потребовалось бы кардинальное «приспособление рельсового пути».

Зато в «Электричестве» за 1880 г. (первый год издания журнала!) появилась такая корреспонденция:

Г. Пироцкий просит нас напечатать следующую заметку:

«24 июня 1874 года в Департамент Торговли и Мануфактур, на получение 10-летней привилегии, представлен Пироцким электрический способ передачи сил по рельсовым и другим проводникам. На Волковом поле, в Сентябре 1874 года, произведен Пироцким опыт передачи 6-ти паровых сил локомобиля на 100 сажен. В Сестрорецке в 1876 году Пироцкий приспособил к передаче сил и испытал двухверстный рельсовый путь. (Статья об этих опытах помещена в Инженерном Журнале за 1877 год.)

5 апреля сего года Пироцкий дополнительно  представил в Департамент Торговли и Мануфактур способ передачи сил по существующим рельсовым путям в вагоны для одновременного их движения.

22-го сего Августа в 12 часов дня на Песках, на углу Болотной улицы и Дегтярного переулка, в первый раз в России, двинут вагон электрическою силою, идущею по рельсам, по которым  катятся колеса вагона. Динамоэлектрическая  машина подвешена к вагону снизу. В присутствии Управления 2-го Общества конно-железных дорог пробное движение вагона электрическим способом было назначено 1-го Сентября в 11 часов утра».

Инновация Ф.А. Пироцкого, выражаясь  современным языком, об использовании  железнодорожных рельсов  для передачи электроэнергии на расстояние нашла затем широкое применение на электрифицированных железных дорогах. Например, в 1881 г. на Международной электротехнической выставке в Париже можно было прокатиться на трамвае по такой дороге.  Оборудование было поставлено и смонтировано фирмой «Сименс и Гальске».  Оказывается, известный предприниматель  Карл Сименс (1829— 1906) тщательно изучил работы Ф.А. Пироцкого, перечертил схемы и задавал ему множество вопросов. Через полгода в Берлине его старший брат Вернер Сименс (1816—1892) выступил с докладом «Динамоэлект-рическая машина и применение ее на железных дорогах». В 1881 г. их фирма начала изготавливать вагоны, конструкция которых совпадала с проектом Ф.А. Пироцкого. А первая в мире трамвайная линия была открыта  в 1881 г. в одном из пригородов Берлина.

Вернер Сименс, побывав в 1876 г. на Ниагарском водопаде, заявил, что для передачи его энергии на расстояние 30 миль потребуется медная проволока диаметром 75 мм т.е. «для изготовления проводов, — заявлял В. Сименс, — придется использовать целый медный рудник»!

Здесь стоит привести пространную цитату из статьи известного французского  электротехника Марселя Депре (1843—1918) «Электрическая передача работы на большое расстояние», опубликованной в российском журнале «Электричество» в 1881 г.:

Вопрос о передаче работы на большое расстояние с помощью динамо-электрических машин, в последнее  время, привлекал на себя внимание многих ученых, которые пришли к тому заключению, что можно передавать значительные работы по проводникам небольшого диаметра. Я, со своей стороны, достиг того же результата и в заметке, помещенной в «Comptes rendus» 15 марта 1880 г., указал преимущественно на то, что выражение полезного действия электродвигателя не зависит от сопротивления  цепи, что с первого взгляда кажется совершенно парадоксальным, так как количество энергии, превращенной в теплоту, тем больше, чем больше сопротивление цепи. Это до такой степени противоречило ходячим идеям, а так же тому, что замечается при передаче работы другими способами,  что я искал подтверждения этому из законов электродинамики в числе наиболее твердо установленных фактов. Я нашел вполне аналогичный пример в вольтаметре. Как известно, эквиваленту воды, разложенному в вольтаметре, соответствует всегда эквивалент цинка, растворенный в батарее, каково бы ни было сопротивление цепи.

При описании произведенных в этом направлении опытов (Сермэз, Нуазель) всегда подразумевалось, что расстояние представляет элемент весьма вредный и что чем больше оно, тем проводники должны быть толще. Иностранные ученые, преувеличивая еще это злосчастное явление, дошли до того, что утверждали, будто для передачи  на далекое расстояние работы Ниагары не хватит всех медных залежей  Верхнего озера. Я ставлю себе поэтому в некоторую заслугу провозглашение этой непризнанной истины.

Но, с некоторого времени, истина эта пробила себе дорогу, и, вследствие  реакции, примеры которой встречаются в истории науки, как с кафедры, так и на страницах ученых журналов стали выражаться мнения, опирающиеся на авторитеты английских и американских ученых, что для разнесения по всему свету работы Ниагарского водопада достаточно тонкого кабеля не более как 13 миллиметров  в диаметре. Если принять во внимание, что работа, о которой идет речь, представляет, по крайней мере, два миллиона лошадиных сил, и, вероятно, даже гораздо больше, то должно сознаться, что упомянутые ученые или не имеют ясного понятия о том, что представляет эта цифра, или они впали в какие-нибудь ошибки при вычислении, на которые им должна бы указать нелепость вывода.

Мы находим, действительно, как я и докажу это дальше, что, принимая даже внутреннее сопротивление передающей и приемной машины равным нулю и допуская, что мы передаем работу всего на 75 килом. (как далеки мы от всего света), необходимо, для получения 50% полезного действия, чтобы машина развивала электровозбудительную силу в 173000 вольтов. Если же, напротив, мы примем во внимание сопротивление  машин, предполагая его пропорционально столь же малым, как и сопротивление машин Сименса для гальванопластики,  не превосходящее 1/10000 ома для электровозбудительной силы в 3 вольта и вместе с тем пренебрежем сопротивлением проводника, то мы найдем, что электровозбудительная сила должна превосходить полтора миллиона вольтов — страшная сила, понятие о которой могут дать лишь явления грозы.

Теоретически несомненно, что проводник какого угодно малого диаметра  может передавать неограниченное количество энергии, при том условии, что разность потенциалов должна быть тем больше, чем меньше сечение; но электровозбудительной силе существует предел, обуславливаемый трудностью изоляции, и авторы проекта передачи энергии Ниагары посредством проводников 13 миллиметров  в диаметре, по-видимому, считают это затруднение устранимым.  Но, тогда, что заставляет принимать эту цифру в 13 миллиметров и не воспользоваться обыкновенной телеграфной проволокой в 4 миллиметра? Стоило бы еще несколько увеличить разность потенциалов, и когда дело идет о миллионах вольтов, то о такой безделице не могло бы быть и разговора.

Я настаиваю на этих невероятных цифрах только для того, чтобы показать, что они явились не результатом серьезных вычислений, а только для того, чтобы подействовать на воображение  и вызвать реакцию против того мнения, что необходимы проводники  очень большой толщины. Но самое преувеличение указывает на то, что изобретатели кабеля в 13 миллиметров едва ли имели на этот счет установившееся мнение.

Далее М. Депре теоретически обосновывал  возможность передачи с помощью двух машин Грамма (передающей,  на 16 лошадиных сил и принимающей) мощностью 10 л.с. на 50 км — «при помощи обыкновенной телеграфной проволоки, из гальванизованного железа, в 4 миллиметра в диаметре». Правда, якоря машин Грамма необходимо было в этом опыте перемотать для получения напряжения в 7000 вольт. КПД такой передачи составил бы (как мы уже могли бы оценить) около 65%.

Исходя из ранее разработанных принципов М. Депре в 1882 г. на первой  германской электротехнической выставке в Мюнхене подготовил грандиозный эксперимент. При содействии организатора выставки Оскара фон Миллера (1855—1932) и его отца Фердинанда  под этот эксперимент была выделена телеграфная линия Мисбах — Мюнхен протяженностью 57 км со стальными  проводами диаметром 4,5 мм. На угольном руднике в Мисбахе имелся свободный паровой двигатель, способный  вращать электрическую машину Грамма мощностью 3 л.с. А в выставочном  павильоне были установлены аналогичная динамомашина и центробежный  насос для искусственного водопада. Напряжение теоретически можно было довести до 2 тыс. вольт, однако участники эксперимента опасались за прочность изоляции машины Грамма и поэтому остановились на 1,5 тыс. вольт. Эта электропередача работала с перебоями (4 дня из 12) по причине различных неисправностей в сети, а ее КПД не превосходил 25%. Тем не менее демонстрация искусственного водопада, над которым висела  табличка «Марсель Депре. Силовая электропередача Мисбах — Мюнхен. Расстояние — 57 километров», произвела на публику сильное впечатление.


(Продолжение в № 2, сентябрь-октябрь 2010 г.)


* Бельгийский рабочий, столяр Зиновий Грамм (1826—1901) первым создал годный для промышленного применения генератор электроэнергии. Изобретение З. Грамма состояло в применении, в качестве якоря (ротора по-современному), кольца из мягкого железа, на которое можно было навить много обмоток изолированной медной проволоки и соединить их последовательно.
** «Инженерный журнал» при публикации «подстелил себе соломки» в виде такого примечания: «Помещая эту статью, редакция слагает с себя всякую ответственность относительно практической стороны дела и смотрит лишь на предложение автора, как на мысль, во всяком случае заслуживающую внимания».

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно