Мир электричества - Анатолий Томилин

При анодном оксидировании поверхность алюминия становится более прочной и изнашивается не столь быстро.

ЛЭП

Выработка и потребление электрической энергии невозможны без создания крупных энергосистем. В их составе могут параллельно работать и тепловые и гидравлические электростанции. Это дало бы возможность наиболее эффективно использовать природные энергетические ресурсы. Такие идеи не могли не породить грандиозных проектов.

И вот в начале XX столетия появились очень интересные разработки инженеров Вьеля и Зергеля. Вьель предложил создание единой энергетической системы Европы.

Сварка дугой

Но в 1911–1912 годах в Европе бушевали войны. Италия воевала с Турцией за земли Триполитании и Киренаики. В 1912 году началась Балканская война, а в 1914-м – Первая мировая… Войны и политика показали невозможность осуществления межгосударственных проектов.

Зергель предложил энергетическую систему Средиземноморья. По его проекту предусматривалось строительство громадных плотин в Гибралтарском и Дарданелльском проливах, а также Тунисской и Мессинской плотин. При этом уровень Средиземного моря в западной его части должен был понизиться на 100 м, а в восточной – на 200. Обнажившееся морское дно у берегов Южной Европы и Северной Африки даст дополнительные плодородные земли, а гидроэлектростанции, построенные на задуманных плотинах, обеспечат более 200 000 МВ/ч электроэнергии в год.

Интересный проект, жаль только, что кроме экономических трудностей глобального характера он не учитывал трудностей политических. По опыту человечество знает, что труднее всего оказывается договориться с соседями через границу. У всех свои интересы!…

Сварочная машина Томсона

Строительство линий электропередачи в XX веке стало нарастать стремительными темпами. В начале века были построены первые линии на напряжение 35–40 кВ. Через десять лет напряжение поднялось до 50–70 кВ, а еще через десять лет – до 100 кВ. Потом, в начале 30-х годов, американцы построили ЛЭП на 287 кВ, а после войны, в середине 50-х, – на 345 кВ. Напомню еще раз о причине гонки за высоким напряжением: выше напряжение – меньше потери в линии.

До 1990 года потери в сетях Министерства энергетики СССР были немногим меньше 10 %. Много это или мало? Примерно столько же потребляла в то время одна из самых энергоемких отраслей – черная металлургия. Получается, что эти 10 % – цифра громадная. Еще большее впечатление может произвести на вдумчивого читателя известие о том, что при этом до 85 % всех потерь приходилось на распределительные сети низкого напряжения… Весьма наглядные цифры, не так ли?

Для России с ее необозримыми пространствами строительство и совершенствование линий электропередачи имеют особенно важное значение. В 1956 году была введена в эксплуатацию ЛЭП на напряжение 400 кВ протяженностью 85 км. Ее проектирование началось еще до Великой Отечественной войны в Ленинградском политехническом институте под руководством профессора Александра Александровича Горева, одного из крупнейших отечественных ученых не только в области техники высоких напряжений и электроэнергетики, но и в электрофизике.

Установка с динамо-машиной для получения чистой меди электролитическим путем

В ходе развития народного хозяйства в СССР еще в 30-х годы образовались две крупные научные электротехнические школы: ленинградская и московская. В Ленинграде при Политехническом институте под руководством А. А. Горева создается так называемое «Бюро Куйбышевских работ» для проведения предпроектных исследований ЛЭП на 400–500 кВ. Был построен знаменитый высоковольтный корпус, в котором исследователи получали на больших разрядниках искусственные молнии и изучали переходные процессы в линиях, а также работу изоляторов и их характеристики.

В послевоенное время проблемами сооружения сверхвысоковольтных ЛЭП занимались многие институты. Строительство крупных тепловых и атомных электростанций в европейской части СССР потребовало нового повышения напряжения в линиях передачи. В Московском энергетическом институте (МЭИ) ученые-энергетики Валентин Андреевич Веников и Теодор Лазаревич Золотарев разработали метод физического моделирования системы электропередачи. Была построена модель ЛЭП от Волжской ГЭС до Москвы, на которой отрабатывались основные проблемы новой техники. Позже такие физические модели взяли на вооружение специалисты всего мира. Многие проектные и научно-исследовательские институты работали над созданием ЛЭП на 500 кВ. Советские электрики построили высоковольтные линии электропередачи в Венгрии, Польше, Румынии и Болгарии.

В ноябре 1967 года под Москвой заработала во многом еще экспериментальная ЛЭП на 750 кВ, длиной около 100 км. Подобные же линии на 735–800 кВ в то же время начали разрабатывать и строить в ряде стран Северной и Южной Америки и в Японии…

Одна из первых генераторных установок на алюминиевом заводе, построенном на Рейнском водопаде

Но в 70-е годы мир поразил энергетический кризис. И среди специалистов-энергетиков возникла идея, что для передачи энергии от тепловых и гидроэлектростанций на дальние, все увеличивающиеся расстояния скоро потребуются линии ультравысокого напряжения (УВН). В СССР был уже накоплен большой опыт в этом направлении. Однако при таких сверхвысоких и ультравысоких напряжениях перед инженерами и зарубежными специалистами, появились новые проблемы, связанные с электроизоляцией воздушных линий, подстанций и всего оборудования.

Может возникнуть вопрос: а что особенно трудного в повышении напряжения, скажем, на воздушной линии? Как ни странно, главная проблема – это проводимость воздуха. Ведь чтобы не происходило «пробоя» (короткого замыкания) между проводами, воздух должен обладать очень большим сопротивлением. Но его проводимость, к сожалению, после определенного предела начинает резко возрастать. И тут инженерам-электрикам приходится идти на массу ухищрений, чтобы «обмануть природу».

Некоторые специалисты стали связывать дальнейшее развитие передачи электроэнергии не с воздушными линиями, а с кабельными, подземными. Казалось бы, здесь-то проводимость должна быть еще выше, чем в воздухе. Но все дело в изоляции. Ученые предложили использовать в качестве изолятора газ, обладающий чрезвычайно низкой электропроводностью и большой электрической прочностью. Такой диэлектрик уже существует – это шестифтористая сера (SF6). Электрики называют ее элегазом.

Энергетический кризис 70-х годов подтолкнул человечество к поискам удешевления энергоресурсов. Были открыты новые месторождения нефти и газа и придуманы новые способы их транспортировки.

Электрические печи завода карбида кальция у Ниагарского водопада

Построены громадные танкеры и газопроводы. Перевозка нефти и перекачивание газа по трубам оказались дешевле строительства и эксплуатации ЛЭП УВН. Интерес к дорогостоящим линиям ультравысокого напряжения тотчас же угас. Одна лишь Япония построила экспериментальную линию на 1100 кВ на опорах высотой до 120 м и длиной 250 км. На ней хотели отрабатывать ультравысоковольтное оборудование. Но пока, в начале XXI века, эта линия работает на пониженном напряжении в 550 кВ и судьба ее туманна.

В СССР в июне 1985 года было закончено строительство опытно-промышленной ЛЭП УВН на 1150 кВ, длиной 500 км, от Экибастуза до Кокчетава. Были спроектированы, построены и смонтированы подобные линии и на других направлениях. Но и они работают сегодня на пониженном напряжении. У создателей уникальных сооружений накопилось за это время великое множество интереснейших, пока не решенных вопросов.

Известно, например, что если проводник из чистого алюминия (99,99 % Al) охладить до температуры жидкого водорода (-253 °C, или 20 K), то его электрическое сопротивление уменьшится примерно в 500 раз! Это явление называется сверхпроводимостью. Температура, при которой сопротивление некоторых чистых металлов и сплавов стремится к нулю, называется критической и приближается к температуре жидкого гелия (-268,8 °C, или 0,2 K). Правда, для такого охлаждения пришлось бы затратить очень много энергии. Но сегодня известны уже сплавы, имеющие и более высокую критическую температуру. К сожалению, сверхпроводников, существующих в обычных условиях, мы пока не знаем. Однако есть немало специалистов, уверенных в том, что именно сверхпроводимость – будущее ЛЭП.

Продолжая разговор о линиях электропередачи, нельзя не упомянуть о многоступенчатых распределительных сетях, которые обеспечивают непосредственную передачу энергии от понижающих подстанций к потребителю. В них применяются разные значения напряжений. Если энергия подается по ответвлениям длиной 1 км, то напряжение может быть от 35 до 110 кВ. В пределах микрорайонов крупных промышленных городов, многих предприятий, на железнодорожных узлах обычное напряжение – 6 и 10 кВ, а в квартальных сетях, то есть в проводах и кабелях, что подводятся к распределительным щитам наших домов, к цехам заводов, напряжение не превышает 1000 В. Более дешевыми распределительными сетями являются, конечно, воздушные линии. Но в городах и на промышленных объектах приходится прокладывать кабели. Это большое и сложное хозяйство, требующее постоянного контроля и ремонта. И жители городов хорошо знакомы с ним, отмечая постоянно разрытые участки улиц и дворов, развороченные тротуары и прочие прелести кабельного строительства.