Передача энергии

(электрическая). — П. при помощи электрического тока механической работы, производимой в одном месте, в другое, более или менее удаленное от первого, называется электрической П. энергии. П. энергии в несколько отдельных мест называется электрическим распределением механической энергии (см. Распределение электрическое). Работа источника механической энергии (паровой машины, турбины и т. п.) затрачивается на вращение динамо-машины и, таким образом, превращается в энергию электрического тока, который по соответственным проводам проводится в одно или несколько мест, куда энергия должна быть доставлена и там пускается в электродвигатели, превращающие электрическую энергию тока обратно в механическую. Следовательно, для П. энергии нужны: 1) генераторы, превращающие механическую энергию в электрическую; 2) провода, по которым эта последняя передается; 3) двигатели, обращающие электрическую энергию в механическую. Во всех этих органах П. тратится некоторое количество энергии, доставляемой первичным источником. Отношение (η) количества энергии, получаемого от двигателей (p), к количеству, затрачиваемому на вращение генератора (Р), т. е. η = p/P, называется отдачей П. Эта отдача будет тем выше, чем совершеннее генераторы и двигатели и чем меньше будут потери в соединительной линии. Современные двигатели и динамо-машины имеют весьма высокую отдачу (или коэффициент полезного действия), доходящую часто до 95% и более, поэтому потери в этих органах П. могут быть сведены до весьма небольшой величины. Что касается потерь в линейных проводах, то в хорошо изолированной линии единственным источником потерь является нагревание проводников, так что, увеличивая в достаточной степени поперечное их сечение, можно чрезвычайно уменьшить эти потери. По закону Джоуля-Ленца (см. Тепловые явления тока) количество тепла, выделяющегося в проводниках, будет Q = CJ²R, где C — коэффициент пропорциональности, равный обратной величине механического эквивалента тепла, J — сила проходящего по проводникам тока, а R — их сопротивление. Если назвать через l общую длину проводников (в метрах), через s — их поперечное сечение (в кв. мм) и через ρ — сопротивление провода в 1 м длиной и в 1 кв. мм поперечного сечения, то R = lρ/s. Следовательно, делая s достаточно большим, можно уменьшить величину Q при всякой силе тока (J) и какой угодно большой длине проводников (l) до любой малой величины. Однако при сколько-нибудь значительном l, т. е. при сколько-нибудь значительном расстоянии между генераторами и двигателями, даже при сравнительно небольших силах тока, если нежелательно делать Q очень большим, надо бы брать провода настолько большого сечения, что стоимость их сделала бы всякое применение электрической П. энергии невозможным. Итак, уменьшение потери на нагревание проводников посредством уменьшения их сопротивления является в большинстве случаев слишком дорогим средством, и потому приходится уменьшать до некоторого предела силу тока, в виде которого передается энергия. Энергия тока W =EJ, т. е. произведению из его силы на напряжение, где под словом "напряжение" подразумевается разность потенциалов у зажимов источника. При уменьшении J для П. определенного количества энергии W придется в такой же степени увеличивать напряжение тока Е. Однако токи высокого напряжения, превосходящего известные пределы, становятся опасными для жизни, и слишком трудно хорошо изолировать приборы (динамо-машины и электродвигатели), служащие для получения таких токов и преобразования их, а также и линии, по которым они распространяются. На практике удавалось с успехом пользоваться постоянными токами до 10000 вольт (см.) и переменными до 30000 вольт (однако опасными для жизни) и достигать этим значительной экономии на проводниках. При одной и той же величине потери в линии и одном и том же количестве передаваемой энергии, пользуясь токами напряжений e₁ и e₂ = ke₁, можно во втором случае употребить провода в k² раз меньшего сечения (и следовательно, в k² раз более легкие) и передать энергию на то же расстояние, что и в первом, или же, применив провода того же сечения, что и в первом случае, передать энергию на расстояние в k² раз большее. Положим, что в обоих случаях решено потерять одно и то же количество энергии w, передавая одно и то же количество энергии W. В рассматриваемых случаях W = е₁i₁ = e₂i₂ (1) и w = i₁² r₁ = i₂² r₂ (2), где i₁ и i₂ силы токов в линии в первом и втором случаях, r₁ и r₂ — сопротивления линии в этих же случаях. Из равенства (1), если e₂ = ke₁, следует, что i₂ = i₁/k и, следовательно, из равенства (2) можно получить i₁² r₁ = i₁² r₂/k₂. Называя через l₁ и l₂ расстояния П. и через s₁ и s₂ — сечения проводов в обоих случаях, из этого уравнения получим: ρl₁/s₁ = ρl₂/k²s₁. Если l₁ = l₂, т. е. энергия передается на одно и то же расстояние, то последнее уравнение дает: s₂ = s₁/k². Наоборот, если s₁ = s₂, то оно же дает l₂ = k²l₁. Итак, теоретически крайне выгодно повышать напряжение тока, служащего для П. энергии. На практике выгода несколько меньше теоретической, так как стоимость линии зависит не только от цены металла проводов, но и от стоимости их прокладки и изоляции, которая почти не зависит от сечения, но возрастает с увеличением напряжения, так как при высоких напряжениях изоляция должна быть особенно хороша и проводка особенно прочна. Для П. энергии можно применять как постоянные, так и переменные токи, и обе системы П. (т. е. с постоянными и переменными токами) имеют свои достоинства и недостатки. Возможность П. энергии постоянными токами открыта французским инженером И. Фонтэном в 1873 г., и небольшая П. демонстрировалась им на бывшей в том же году Венской выставке. Небольшая динамо-машина Грамма приводила в движение другую подобную же машину, которая вращала центробежный насос. После Фонтэна вопросом о П. энергии на более или менее значительные расстояния занимался Марсель Депре, произведший в Мюнхене, Гренобле и Париже ряд опытов и даже построивший для П. специальные машины. Опыты Депре хотя и не дали тех результатов, которые от них ожидались, тем не менее показали возможность П. на довольно значительные расстояния, выяснили роль, которую играет при передаче сопротивление проводников, и, наконец, подтвердили мысль Депре о выгоде применения токов высокого напряжения. После опытов Депре многие инженеры, особенно швейцарские и американские, занялись разработкой способов электрической П. энергии и достигли таких результатов, что вскоре десятки и даже сотни лошадиных сил стали передаваться помощью постоянных токов на расстояния в несколько десятков километров. В качестве генераторов при пользовании постоянными токами применяются главным образом динамо-машины с последовательным возбуждением. Эти машины, отличаясь простотой конструкции, в то же время являются наиболее пригодными для доставления токов высокого напряжения. Действительно, в них через обмотку индукторов проходит весь ток, производимый машиной, и потому эта обмотка может состоять из сравнительно небольшого числа витков. Если же применять параллельное возбуждение, то при высоких напряжениях придется устроить обмотку индукторов машины из весьма большого числа витков очень тонкой проволоки. Это, во-первых, значительно увеличит стоимость машины и, во-вторых, увеличит ее самоиндукцию, вызывающую в известных случаях образование сильных экстратоков, которые очень опасны для целости машины. Если почему-либо считают неудобным применить машину с последовательным возбуждением, то применяют возбуждение независимое, дающее возможность тоже иметь обмотку индукторов из небольшого числа витков. Двигатели (см. Электродвигатели) при передаче энергии применяются тоже большей частью с последовательным возбуждением, отчасти по тем же причинам, что и генераторы, отчасти вследствие их механических качеств. Как двигатели, так и генераторы редко строятся для напряжений выше 2000 вольт, и если желают применить более высокие напряжения, то соединяют по нескольку генераторов и двигателей "последовательно" и применяют систему питания током постоянной силы при переменных (в зависимости от числа одновременно работающих двигателей) вольтах. Наивысший предел напряжений, допускаемых при постоянных токах, это 10000 вольт, но этими напряжениями пользуются весьма редко вследствие затруднений, встречаемых при постройке для таких токов машин с Граммовскими коллекторами. Чаще применяют токи в 3000—5000 вольт и даже еще ниже. В настоящее время в Европе и в Америке существует много установок постоянного тока для передачи энергии на довольно значительные расстояния. Во всех их источником энергии является вода, вращающая турбины. Эти турбины, в свою очередь, вращают динамо-генераторы, от которых ток через линию непосредственно передается двигателям. Примером такой передачи может служить установка близ Генуи. Водяную силу доставляет в ней один из притоков реки По, на котором для этой цели устроены три пруда, один над другим. У каждого из прудов установлены турбины, вращающие ряд динамо-машин. Все динамо-машины на каждой из трех станций (названных в честь итальянских ученых станциями Вольта, Гальвани и Пачинотти) соединены последовательно и посылают в линию ток постоянной силы. Что касается напряжения тока, то оно в зависимости от числа одновременно работающих двигателей, тоже включаемых последовательно, меняется в пределах от 450—500 вольт до 6000 вольт. При выключении каждого двигателя из цепи он заменяется коротким проводником, так что цепь все время остается замкнутой. С названных трех станций энергия свыше 1500 сил передается целому ряду двигателей мощностью до 60 сил, из которых некоторые удалены от генераторов на расстояния до 60 км. Если расстояние передачи значительно, то, как было сказано, приходится применять очень высокие напряжения тока. Между тем постройка машин и двигателей постоянного тока, предназначенных для высоких напряжений, крайне затруднительна вследствие трудности их изоляции. Поэтому для передачи энергии на большие расстояния (а в последнее время и на небольшие) применяются исключительно переменные токи, преимущественно многофазные (см.; двух-трехфазные), при пользовании которыми можно иметь высокие напряжения только в линии, а не в динамо-машинах и двигателях (см. также Переменные токи). Это достигается применением трансформаторов (см.). Передача производится следующим образом: механический двигатель вращает динамо-машину переменного тока, построенную так, что она дает ток среднего напряжения (50—150 вольт). Этот ток тут же на генераторной станции поступает в первичную обмотку трансформатора, повышающего его напряжение до желаемой степени, например, до 10000—20000 вольт. Из вторичной обмотки трансформатора высоковольтный ток идет прямо в линию, по которой и распространяется до приемной станции, где опять поступает в трансформатор, понижающий его напряжение до 100—150 вольт. Этот последний, трансформированный, ток и идет на питание двигателей. Двигатели обыкновенного переменного тока, так называемые синхронные однофазные двигатели, обладают множеством недостатков; так, они не приходят самостоятельно во вращение, требуют часто специальных машин для возбуждения, останавливаются при перегрузке и т. д., поэтому они почти не применялись для передачи энергии. Изобретение многофазных двигателей с вращающимся полем, не уступающим по своим качествам двигателям постоянного тока, сразу сделало возможным применение переменных токов для передачи. При применении трансформаторов, повышающих и понижающих напряжение тока, нет уже надобности соединять генераторы и двигатели последовательно, и потому в установках, где их несколько, как те, так и другие включаются в линию параллельно. Первая установка, на которой были применены многофазные токи, устроена в 1890 г. швейцарской фирмой Эрликон для своего завода. На генераторной турбинной станции установлены три трехфазных генератора Броуна "зонтичного" типа, в 200 сил каждый. Генераторы доставляют ток в 86 вольт, тут же при помощи трехфазных трансформаторов превращаемый в ток в 13000 вольт, который передается по трем проводам в 4 миллиметра в диаметре на завод Эрликон, находящийся на расстоянии 24 км. Там напряжение тока понижается до 190 вольт, и этот ток уже идет на питание двигателей. В больших размерах опыт П. был произведен фирмой Эрликон совместно с берлинской Allgemeine Electricitäts-Gesellschaft в 1891 г. В 175 км от Франкфурта, на Неккаре, установлены были турбины, вращавшие два трехфазных генератора Броуна, доставлявшие каждый 1400 ампер при 55 вольтах. Напряжение тока при помощи трансформаторов повышалось в Лауффене до 8500 вольт и затем вновь понижалось в Франкфурте до 65 вольт. Этот ток уже и питал трехфазные двигатели и лампы. На фиг. представлена схема установки: все обмотки в трансформ. и динамо-маш. соединены звездой, причем общая их точка соединялась с землей.

Линия состояла из трех медных проводов в 4 мм в диаметре, подвешенных к столбам на фарфоровых изоляторах с внутренним каналом для масла. Эта установка работала совершенно регулярно во все время выставки, причем отдача ее была около 74%. Повышая напряжение до 25000 вольт, по тем же проводам можно было передавать 180 сил с отдачей в 75%. После выставки Лауффенская установка была утилизирована для снабжения электрической энергией города Гейльбронна, находящегося всего на расстоянии 10 км, так что напряжение в линии оказалось возможным понизить до 5000 вольт. Из позднейших установок самая грандиозная — на Ниагарском водопаде. На особом канале там установлены три турбины в 5000 сил каждая, вращающие динамо-машины с вертикальным валом, служащим продолжением вала турбин. Динамо-машины, построенные компанией Вестингауза, по проекту профессора Форбса, дают двухфазные токи в 2000 вольт и требуют на свое вращение по 6000 сил. Ток в 2000 вольт передается непосредственно двигателям, расположенным в окрестностях Ниагары. Для передачи же энергии в Буффало его напряжение подымается трансформаторами до 10000 вольт. Ниагарская установка еще не окончена вполне, и в ней предполагается довести расстояние передачи до 550 км (до Ольбани), причем напряжение тока придется повысить до 50000 вольт. В России до сих пор нет ни одной значительной установки для передачи энергии. Существует только проект передачи в С.-Петербург энергии водопадов Иматры и Нарвы, находящихся от него на расстояниях 162 и 163 км. Для передачи предполагается установить на обоих водопадах турбины общей мощности в 72000 сил, которые будут вращать трехфазные генераторы системы Эрликон; генераторы будут давать ток в 2000 вольт, напряжение которого будет повышаться затем до 15000 вольт в линии, а в Петербурге понижаться до 110 вольт. Линия предполагается воздушная, которая будет состоять из голых проводов в 5 мм в диаметре. Отдача этой передачи, по предположению, будет не меньше 65%.

М. Шателен.