Мир электричества - Анатолий Томилин

Говоря о линиях электропередачи, мы акцентировали все внимание на линиях переменного тока. Вряд ли это правильно. Сегодня и постоянный ток находит широкое применение в промышленности и на транспорте. Линии электропередачи постоянного тока имеют немало преимуществ. На их работу не влияют распределенные реактивные параметры, то есть емкость и индуктивность проводов. Это значит, что не нужно преодолевать накопления в них энергии.

Вы, наверное, знаете, что мощность в электрической цепи переменного тока бывает активной и реактивной. Активная мощность – это реальные потери на нагревание. А реактивная характеризует скорость накопления энергии в емкости и индуктивности цепи, обмен энергией между отдельными участками цепи. Без нее не обходится работа цепей переменного тока. Исследователи выяснили, что одним из эффективных средств повышения КПД линий электропередачи переменного тока могло бы стать уменьшение их реактивной мощности. Но для этого необходимо усложнение всей системы, а следовательно, и ее удорожание. У цепей постоянного тока этих проблем нет.

Другим достоинством линий электропередачи постоянного тока является то, что персонал, обслуживающий не связанные между собой линии, может не заботиться о синхронности их совместной работы. Наконец, ЛЭП постоянного тока создают значительно меньше помех родственной электро– и электронной аппаратуре. Особенно значительны преимущества передачи постоянного тока по кабелям.

В 1947 году в ряде научно-исследовательских институтов СССР начались работы по созданию преобразователей для ЛЭП постоянного тока. Три года спустя была осуществлена первая в мире кабельная электропередача постоянного тока между Каширой и Москвой. Длина опытной линии составляла 120 км, напряжение – 200 кВ и мощность – 30 МВт. Позже построили и ввели в эксплуатацию уже крупнейшую в мире линию электропередачи постоянного тока Волгоград-Донбасс с напряжением 400 кВ и длиной линии 473 км.

В 1981 году началась передача электроэнергии через вставку постоянного тока Россия – Финляндия. Такие вставки облегчают и улучшают работу основных ЛЭП переменного тока. ЛЭП на 330 кВ от подстанции Ленэнерго Восточная шла до преобразовательной подстанции в Выборге. Там энергия преобразовывалась и по вставке постоянного тока уходила в Финляндию. На подстанции Юликкяля постоянный ток снова превращался в переменный с напряжением 400 кВ и входил в систему Иматран Войма, которая являлась частью энергообъединения Скандинавских стран.

Немалую роль играют в строительстве ЛЭП и средства защиты от перенапряжений. При ударе молнии в воздушную линию, в фазовый провод или в опору в проводе возникает импульс грозового перенапряжения. Он распространяется по проводами, дойдя до подстанции, может вывести из строя ее электрооборудование. Это особенно опасно на линиях сверхвысокого напряжения. У подстанций ставят специальные разрядники, а все сооружение защищают стержневыми молниеотводами, предложенными еще Ломоносовым.

Внутренние перенапряжения возникают в основном при переключениях. Оказывает влияние на развитие перенапряжений и коронный разряд на проводах воздушных линий.

Интересно, что еще в 1910 году российский ученый-электротехник Владимир Федорович Миткевич, будущий академик Академии наук СССР, предложил расщепление проводов фаз для подавления коронного разряда. Но тогда эта проблема не была столь актуальной. Напряжения на линиях были незначительными. И лишь сорок лет спустя предложенная идея была реализована и получила признание во всем мире.

Электропривод

До сих пор мы говорили в основном о том, как получать и транспортировать электроэнергию, и лишь вскользь – о ее использовании. Настало время поговорить на эту тему более основательно.

Главное преимущество электрической энергии в ее сравнительно легкой транспортировке для использования в отдалении от места получения, для превращения ее там снова в механическую или в любой другой вид энергии.

Цепочка превращения может быть разной и зависит от уровня развития техники и экономической целесообразности. Согласно закону сохранения, энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может только превращаться из одного вида в другой. Это мы помним. И вся история цивилизации – это борьба за энергию и превращение ее человеком в нужные ему формы. Костер доисторического человека – превращение энергии, накопленной топливом, в тепло. «Огромная наипаче» баратея Василия Петрова – превращение химической энергии в электрическую и электрической – в свет.

На гидро– или теплоэлектростанциях происходит превращение механической энергии падающей воды или пара в электрическую. Электроэнергия идет по ЛЭП к потребителю, и потребитель (мы с вами) использует ее по своему желанию: превращает в тепло, свет или с ее помощью приводит в действие необходимые ему машины и механизмы. Пожалуй, одним из первых таких примеров можно считать электродвигатель Бориса Семеновича Якоби – типичный электропривод.

Электропривод – чрезвычайно распространенное устройство для преобразования электроэнергии. Но прежде чем перейти к его описанию, вспомним, что такое привод вообще. Начнем с определения. Привод – это устройство для приведения в действие машин или механизмов. Состоит оно из источника энергии, устройства для ее передачи и из управления. Производителем энергии в приводе может служить человек или лошадь (слон, буйвол, любой источник мускульной силы), гидравлический, тепловой или электрический двигатели, а также накопители механической энергии: пружины, гири, маховики и т. д.

Привод может быть групповым, индивидуальным и многодвигательным. В первом движение от одного двигателя через трансмиссии передается группе рабочих машин. Индивидуальным привод становится тогда, когда каждая рабочая машина снабжена собственным двигателем с передачей движения. В многодвигательном приводе уже не вся рабочая машина, а ее отдельные механизмы приводятся в движение отдельными же двигателями через свои системы передачи.

Электродвигатель группового привода в заводском цеху XIX века

Примером самого раннего механического привода являлось, наверное, водяное колесо. Наиболее же распространенным видом привода на любом производстве до изобретения электродвигателя была паровая машина. Она крутила вал со шкивами, от которых шли ременные передачи на станки. Сегодня даже трудно себе представить такой цех с бесконечными ременными передачами.

С появлением электродвигателей наметились два пути развития. Первый – замена единого большого и мощного двигателя (паровой машины), работавшего на трансмиссию. И второй путь – строительство и применение индивидуальных двигателей, малых и больших, в зависимости от обслуживаемых механизмов.

Промышленники во всем мире сразу поняли преимущества электрической энергии по сравнению с паросиловыми установками. А понимаем ли мы ее сегодня так же наглядно?

Только представьте: для обеспечения средней мощности в 200 000 кВт, каковую сегодня легко дает энергетический блок, состоящий из одного котла, одной турбины и одного электрогенератора, нам пришлось бы установить в котельной станции 300 средних паровых котлов конца XIX века и 10 громаднейших, лязгающих поршнями паровых машин.

Первые блок-станции предназначались исключительно для питания осветительных приборов. Однако устройство центральных электростанций с последующим распределением энергии уже дало основание для создания промышленного электропривода.

Уже первые опыты применения электродвигателей в системе групповых приводов существенно изменили ситуацию на производстве. Не нужны стали собственные гидро– и тепловые станции с водяными колесами и паровыми котлами. Дорогостоящие и ненадежные ременные передачи заменились электрическими проводами, хотя при групповом электроприводе внешний вид цеха изменился мало.

В конце XIX века среди сторонников группового и индивидуального приводов было немало споров. Одни считали, что переход к малым индивидуальным двигателям усложнит производство и продукция станет соответственно дороже. Другие настаивали на уменьшении потерь при механических передачах, на независимости размещения оборудования от центрального распределения, на повышении безопасности и общей культуры производства, а следовательно, и на повышении производительности труда. Почти четверть века шли эти препирательства, пока индивидуальный привод не победил полностью.

В 50-60-е годы XX столетия в системах управления приводом стали применяться полупроводниковые приборы. Новая силовая электроника существенно повлияла на многие области техники, в том числе и на схемы питания и управления электропривода. Особенно большую роль сыграли мощные тиристоры. Они позволили отказаться от громоздких и ненадежных ртутных выпрямителей и тиратронов.