Возникновение районных электростанций и энергетических систем

Создание трехфазной системы явилось важнейшим этапом в развитии техники. Эта система вывела проблему передачи электроэнергии, а вместе с ней и электротехнику из кризисного состояния, которое сложилось в 80-х годах прошлого века. Производительные силы получили новую техническую базу, во многом сп собствовавшую углублению и расширению процесса концентрации и централизации производства. Электрическая энергии которая могла теперь передаваться в удаленные промышленные районы, вызвала коренную реконструкцию энергохозяйства промышленных предприятий и начала внедряться в технологию. Процесс электрификации постепенно захватывал все новые области производственной деятельности, революционизировал развитие производительных сил и не мог не привести к глубоким социальным изменениям.
Первой в мире эксплуатировавшейся трехфазном электростанцией была Лауфенская. После закрытия Франкфуртской выставки электростанция в Лауфене перешла в собственность города Хейльбронна, расположенного в 12 км от Лауфена. Эта установка была пущена в эксплуатацию в начале 1892 г. На гидростанции были установлены два одинаковых трехфазных синхронных генератора. Напряжение (фазное) при помощи трансформаторов повышалось с 50 до 5000 В. Электроэнергия использовалась для питания всей городской осветительной сети, а также ряда небольших заводов и мастерских. Понижающие трансформаторы устанавливались непосредственно у потребителей.
В том же 1892 г. была сдана в эксплуатацию линия Бюлах-Эр-ликон (Швейцария). Машины для электростанции были спроектированы еще во время подготовки Франкфуртской выставки швейцарской фирмой «Эрликон». У водопада в Бюлахе была построена гидроэлектростанция с тремя трехфазными генераторами мощностью 150 кВт каждый. Электроэнергия передавалась на расстояние 23 км для электроснабжения завода. Вслед за этими первыми установками началось довольно быстрое строительство ряда электростанции, причем наибольшее их число было в Германии.
Известные трудности в развитии электрификации на базе трехфазных систем возникали в связи с тем, что уже раньше в городах были построены станции постоянного или однофазного токов, а иногда и двухфазные. Владельцы и акционеры этих станций и электрических сетей всячески препятствовали внедрению трехфазной системы. Некоторым выходом явилось сочетание трехфазной электропередачи с распределением энергии на постоянном токе. Например, в 1893 г. в Боккенгейме (пригород Франкфурта) была сооружена электростанция с двумя трехфазными генераторами (по 150 кВт). Напряженно при помощи трансформаторов повышалось с 80 до 700 В, и энергии передавалась на подстанцию, находившуюся н центре промышленного района и удаленную от электростанции на 1,2 км. Большая часть энергии на подстанции преобразовывалась двигатель-генераторной установкой в энергию постоянного тока, которая и распределялась для электрического освещения. Аналогичное решение было принято несколько позднее при строительстве электростанции и северной части Берлина.
Первая трехфазная установка в Америке была сооружена в конце 1893 г. и Калифорнии. Гидроэлектростанция располагала двумя генераторами мощностью по 250 кВт. Or электростанции были проведены две линии генераторного напряжении (2500 В). Первая из них длиной 12 км поставляла энергию для осветительных целей, а вторая длиной 7,5 км предназначалась для питания трехфазного асинхронного двигателя мощностью 150 кВг.
Темпы внедрения трехфазной системы н Америке вначале были заметно ниже, чем в Европе. Это объясняется тем, что одна из крупнейших американских фирм — компания «.Вестннгауз» — настойчиво пыталась развернуть работы по сооружению электростанции и электрических сетей по системе Тесла. Высшим достижением двухфазной системы считалась грандиозная по тому времени электростанция на Ниагарском водопаде, пущенная в эксплуатацию в 1896 г.
В последней трети прошлого пека стали разрабатываться проекты электрической передачи энергии Ниагарских водопадов. В 1889 г. была образована компания, которая приобрела право использования мощности 450 000 л.с. и приступила к подготовке строительства гидроэлектростанции. Совещание крупных инженерен и ученых, созванное для обсуждения вариантов проектов будущей станции, согласилось с предложением применить двухфазную систему Тесла.
Фирме «Вестингауз Электрик» были заказаны три двухфазных генератора по 5000 л.с, каждый с напряжением 2400 В, а другой фирме — гидротурбины по 5150 л.с. В короткий срок были выполнены большие строительные работы, и в ноябре 1896 г. невиданная до тех пор по размерам и мощности электростанция была открыта. Еще в период строительства Ниагарской ГЭС выяснилось, что спрос на электроэнергию в этом районе будет очень велик и проектная мощность станции окажется недостаточной. Поэтому сразу же началось расширение станции, и к началу текущего столетия число агрегатов было увеличено до восьми, а общая мощность возросла до 40 ООО л.с. На рис. 6.12 показан машинный зал Ниагарской гидроэлектростанции, который и сегодня выглядит вполне современным.
Пример Ниагарской электростанции показывает, что с первых шагов крупного
гидроэлектростроительства дешевая энергия ГЭС получила широкое применение для электрохимических и электротермических процессов (производство алюминия, карборунда, карбида кальция и др.), то есть там, где электроэнергия играет основную технологическую роль.
Американская фирма «Дженерал Электрик», основной оппонент фирмы «Вестингауз», теперь быстро переориентировалась и опять же в противовес конкурирующей фирме развила бурную деятельность по сооружению трехфазных установок. На этот раз проиграла фирма «Вестингауз»: Ниагарская гидроэлектростанция со временем была переоборудована в трехфазную.
Для переходного периода в любой области техники, и в области электротехники в частности весьма характерны попытки комбинирования устаревающих и новых технических решений. Так, в течение почти двух десятилетий, начиная с 1891 г., были сделаны попытки «примирить» трехфазные системы с другими системами.
В эти годы существовали электростанции, на которых одновременно работали генераторы постоянного, переменного однофазного тока, двухфазные и трехфазные или любая их комбинация. Напряжения и частоты были различными, потребители питались по раздельным линиям. Попытки спасти устаревающие системы, а вместе с ними и освоенное заводами электрооборудование, приводили к созданию комбинированных систем. Такими в частности являлись так называемые моноциклические и полициклические системы переменного токов, а также комбинированная система постоянного и переменного токов.
Наиболее известной из комбинированных систем является схема, предложенная в 1894 г. Скоттом. В основе этой схемы лежит так называемый «трансформатор Скотта», предназначенный для взаимного преобразования токов двухфазной и трехфазной систем.
Однако судьба комбинированных систем, равно как и систем электроснабжения постоянным и однофазным переменным токами, была предрешена, и уже с 1901—1905 гг. в основном сооружаются трехфазные электростанции. Главной причиной успехов новой системы был быстрый рост промышленного потребления электроэнергии, тогда как построенные ранее станции удовлетворяли главным образом нужды населения. Поэтому первые трехфазные электростанции представляли собой чаще всего станции фабрично-заводского типа.
Перевозка по железным дорогам топлива, особенно его низкокалорийных сортов, обходится дорого. Гораздо удобнее было строить крупные электростанции на месте добычи топлива, на водопаде или на подходящей реке, а вырабатываемую энергию транспортировать по линиям электропередачи в промышленные районы и города. Трехфазная техника позволяла полностью решать эту проблему. Такие электростанции, расположенные непосредственно у источников энергии, стали называть районными.
Первые районные электростанции были построены во второй половине 90-х годов прошлого столетия, а в текущем столетии они составили основу развития электроэнергетики. Первой районной электростанцией считают Ниагарскую ГЭС.
Широкое развитие строительство районных электростанций приобрело с начала XX в. Этому способствовал рост потребления электроэнергии, связанный с внедрением в промышленность электропривода, развитием электрического транспорта и расширением масштабов электрического освещения городов.

Мощности районных электростанций быстро возрастали от нескольких десятков тысяч киловатт (до Перной мировой войны) до 100 000 к Вт (после войны).
На рубеже XIX н XX вв. были уже достаточно выяснены преимущества и возможности трехфазной техники. Развитие городских се гей делало экономически нецелесообразным существование в одном юроде многих мелких станций, и они закрывались одна за другой. Электрические станции становились крупными промышленными предприятиями по выработке электроэнергии; сети разных станций объединялись, создавались первые энергетические системы. Под энергетической системой понимают совокупность электростанций липни электропередачи, подстанций н тепловых сетей, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии, Схема на рис. 6.13 дает представление об энергетической системе и примерном распределении энергии между электростанциями и видами потребления.

До появления районных электростанции электрических систем практически не было. Электростанции работали изолированно, каждая имела свою нагрузку. При изолированной работе станций не было большой необходимости устанавливать стандартные частоты и напряжения, к последние принимались в зависимости от конкретных условий данной станции. Последствия этого еще долго сказывались в некоторых странах: например, в США и Японии приходилось подключать на параллельную работу электростанции, работавшие при различных частотах (50 и 60 Гц). Потребность объединить работу нескольких электростанций на общую сеть стала проявляться уже в 90-х годах прошлого столетня. Было выяснено, что при совместной работе уменьшается необходимый резерв на каждой станции в отдельности, появляется возможность ремонта оборудования без отключения основных потребителей, создаются условия для выравнивания графика нагрузки базисных станций, для более эффективного использования энергетических ресурсов.
Включение на параллельную работу электростанций постоянного тока не вызывало особых затруднений, если эти станции имели одинаковые напряжения и были расположены недалеко одна от другой. Но нередко нужно было объединять работу станций, расположенных в районах, удаленных друг от друга. Низкое напряжение, принятое на станциях' постоянного тока, не позволяло осуществить непосредственное их соединение линией постоянного тока. В таком случае приходилось прибегать к преобразованию постоянного тока в переменный ток высокого напряжения. На электростанциях устанавливались двигатель-генераторные преобразователи, и станции связывались между собой линией переменного тока.
Первое известное объединение двух трехфазных электростанций было осуществлено в 1892 г. в Швейцарии. Две небольшие электростанции — в Глэдфельдене (120 кВ • А) и Гохфельдене (360 кВ • А) — соединялись двухкилометровой линией 5 кВ и питали распределительную сеть завода фирмы «Эрликон» по линии передачи протяженностью 24 км при напряжении 13 кВ. Возбуждение генераторов первой станции регулировалось со щита управления второй.

Однако в первое десятилетие посте этого опыта объединение электрических станций еще не получило заметного развития. Положение изменилось только с возникновением крупных районных электростанций, особенно посте 1900 г. Так, в 1905 г. в США уже работали три крупные для того времени энергетические системы: Южно-Калифорнийская, в районе Сан-Франциско и в штате Юта. Первая из этих систем (компания Эдисона) объединяла четыре гидравлические станции и четыре тепловые с общей установленной мощностью около 12 тыс. кВт. Сеть этой системы напряжение ем 2—30 кВ имела общую протяженность 960 км и охватывала 18 городов.
Русские электротехники сумели очень быстро оценить достоинства трехфазной системы. Уже в январе 1892 г. на четвертой Петербургской электротехнической выставке проф. И. И. Боргман демонстрировал трехфазные машины системы Доливо-Добровольского. На этой выставке работали две трехфазные машины мощностью по 15 кВт.

В России первым предприятием с трехфазным электроснабжением был Новороссийский элеватор. Он представлял собой грандиозное сооружение, и задача распределения энергии по его этажам и различным зданиям могла быть решена наилучшим образом только с помощью электричества. Строитель элеватора инженер А. Н. Щенснович решил применить только что ставшую известной трехфазную систему. Летом 1892 г. швейцарскому заводу фирмы «Броун-Бовери» были заказаны чертежи трехфазных машин. В стедующем 1893 г. элеватор был электрифицирован. Интересно, что все машины по разработанным за границей проектам изготовлялись в собственных мастерских элеватора.
На электростанции, построенной рядом с элеватором, были установлены четыре синхронных генератора мощностью 300 кВ каждый. Таким образом, общая мощность электростанции составляла 1200 кВ • А , то есть это была в то время самая мощная в мире трехфазная электростанция. В помещениях элеватора работали| трехфазные двигатели мощностью 3,5—15 кВт, которые приводили в действие различные машины и механизмы. Часть энергии использовалась для освещения.
Представляет интерес электрификация Охтенского порохового завода в Петербурге. Ее организаторы — В. Н. Чиколев и Р. Э. Класссон — решили осуществить передачу и распределение энергии с помощью трехфазных цепей. На гидростанции работали дна генератора мощностью 120 и 175 кВт. Оба генератора могли работать независимо друг от друга, так как были построены отдельные линии, но они могли включаться также и на параллельную работу. Наибольшая длина передачи составляла 2,66 км. Нагрузку составляли девять электродвигателей, из которых одни имел мощность 65 л.с, три — по 20 л.с. и пять — 10 л.с. Кроме того, дна двигателя по 1,5 л.с. были установлены на гидростанции для привета щитовых затворов. Часть энергии для питания дуговых ламп преобразовывалась в энергию постоянного тока.
Охтенская установка представляла собой в то время последнее слово техники. Ее основной создатель, выдающийся русский инженер Р. Э. Классон, дал прогрессивное инженерное решение задачи централизованного электроснабжения промышленного предприятия.
Первой в России электропередачей значительной протяженности была установка на Павловском прииске Ленского золотопромышленного района в Сибири. Электростанция была построена в 1896 г. на реке Ныгра. Здесь были установлены трехфазный генератор 98 кВт, 600 об/мин, 140 В и трансформатор соответствующей мощности, повышавший напряжение до 10 кВ. Электроэнергия передавалась на прииск, удаленный от станции на 21 км. На прииске для привода водоотливных устройств использовались трехфазные асинхронные двигатели мощностью 6,5—25 л.с. (напряжение 260 В). Так постепенно расширялось в России строительство трехфазных электростанций.
С 1897 г. началась электрификация крупных городов (Москва, Петербург, Самара, Киев, Рига, Харьков и др.).
Первой районной электростанцией в России была небольшая гидроэлектростанция «Белый уголь* (вблизи г. Ессентуки), построенная в 1903 г. Эта электростанция по четырем воздушным трехфазным линиям протяженностью 6—20 км питала города минераловодской группы.
Единственной крупной районной электростанцией дореволюционной России была станция «Электропередача» в г. Богородске (ныне г. Ногинск), сооруженная на средства «Общества электрического освещения 1886 г.». Руководителем строительства станции и ее сети был Роберт Эдуардович Классон (1868—1926 гг.). На станции были установлены три турбогенератора по 5000 л.с, 1500 об/мин, 6600 В, 50 Гц. Напряжение повышалось при помощи трансформаторной группы до 70 кВ. Линия передачи Богородск— Москва имела протяженность более 70 км, и в конце ее, в Измайлове (Москва), была построена понижающая подстанция. В Москве, на территории завода Гужона (теперь «Серп и Молот»), линия Измайловской подстанции была соединена с городской сетью несколькими кабелями. Так, в Москве была создана первая, еще несовершенная электрическая система, включающая в себя две электростанции (на Раушской набережной и в Богородске), сети которых были соединены на их периферии.
Вторая из двух дореволюционных небольших электроэнергетических систем находилась на юге, где довольно разветвленная кабельная сеть 20 кВ питалась от двух бакинских электростанций, мощность которых к 1914 г. достигла 36,5 и 11 тыс. кВт.
Богородская электростанция (ныне ГРЭС имени Классона), сданная в эксплуатацию в 1914 г., явилась для своего времени самой крупной в мире электростанцией на торфе. Эта станция питала электроэнергией важнейшие предприятия Москвы в тяжелые годы гражданской войны. После окончания войны крупные районные электрические станции стали основным звеном плана электрификации России.