Текст книги "Мир электричества"

Глава 12. Укрощение

Превращение всякого другого вида энергии в электромагнитную, как вы знаете, осуществляется с помощью устройства, аппарата или машины, которую называют генератором. Так, в химических элементах мы превращаем одни вещества в другие, высвобождаем энергию химических связей и преобразуем ее в энергию электрическую. Используя силу падающей воды, пара или любого иного вида первичного двигателя, мы вращаем ротор генератора в магнитном поле и превращаем механическую энергию в электрическую. Используя силу ветра и солнца, мы тоже превращаем их энергию в электрическую, потому что электрическая энергия – самый удобный и легко транспортируемый вид энергии из освоенных человечеством.

Трансформаторы Ниагарской гидроэлектростанции, повышающие напряжение до 11 кВ

Давайте еще раз пройдем по всей электроэнергетической цепи, но теперь не с исторической точки зрения, а с позиций техники. Первыми источниками электрической энергии, как вы помните, были гальванические батареи. От них зажглась и дала свет электрическая дуга, они закрутили первый электродвигатель. Но они же своей малой мощностью затормозили развитие электричества и его практическое применение.

С 1831 года – времени открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции – начинается эпоха рождения и совершенствования электрических генераторов. Генератор – первое звено цепи. Мы уже познакомились с историей создания электрических генераторов, с непростым путем, по которому от вращающейся проволочной рамки ученые, изобретатели и конструкторские коллективы пришли к современным гигантам-генераторам.

Зал динамо-машин мощностью в 5000 лошадиных сил на Ниагарской электростанции

Специалисты делят пройденный путь на четыре этапа. Первый, охватывающий 20 лет, знаменует создание электрогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Это время так называемых магнитоэлектрических машин.

Второй этап – время между 1851 и 1867 годом – объединяет тоже машины постоянного тока, но уже с независимым возбуждением, то есть не от собственных постоянных магнитов, а от электромагнитов, питающихся от постороннего независимого источника.

Третий этап характеризуется тем, что почти одновременно разные исследователи открыли принцип самовозбуждения. Вернер Сименс в 1867 году, рассказывая о сущности нового принципа, назвал его динамоэлектрическим. С этой поры генераторы с самовозбуждением, а потом и другие генераторы постоянного тока стали называть динамо-машинами, или просто динамо.

Четвертый – современный этап. Начавшись в середине 80-х годов XIX века, он продолжается по сей день. Его можно назвать эпохой переменного трехфазного тока. Именно он – трехфазный переменный ток – позволил осуществить передачу электроэнергии на далекие расстояния, создать единую энергетическую сеть и обеспечить надежную работу электропривода.

Развитие мощных трехфазных машин – турбогенераторов – началось с новым, ХХ столетием. Уже через 20 лет в США был изготовлен двухполюсный турбогенератор немыслимой, казалось бы, мощности – 62,5 МВт и частоте вращения 1200 об/мин. Но технический прогресс подгоняет сам себя и имеет тенденцию к ускорению. Одновременно с двухполюсными появились четырехполюсные турбогенераторы еще большей мощности. К 1937 году в СССР был разработан и построен самый мощный в мире турбогенератор мощностью 100 МВт и частотой вращения 3000 об/мин. Это была очень непростая работа. Энергетиков беспокоили проблемы охлаждения обмоток. Внушали опасения огромный диаметр ротора и расстояние между его опорами. Хватит ли прочности у металла? Трудности возникали и при создании громадных поковок для ротора. А какая точность обработки требовалась от электромашиностроителей… Ведь у гигантских машин есть недремлющий враг – вибрация, способная разрушить даже самую прочную конструкцию.

Великая Отечественная война задержала стремительный рост советского энергомашиностроения. Но после победы народное хозяйство потребовало еще более мощных машин. Были разработаны и построены турбогенераторы вдвое большей мощности, втрое, в пять и десять раз. Для Костромской ГРЭС был разработан проект турбогенератора мощностью 1200 МВт и частотой вращения 3000 об/мин.

Чтобы повысить мощность гигантских машин, было предложено много усовершенствований. Главным явилось увеличение плотности тока в обмотках. Вы спросите: «А как же с охлаждением? Ведь уже на довоенном гиганте их нагрев представлял собой проблему». Правильно! Дальнейший прогресс потребовал глубоких теоретических и экспериментальных исследований, создания опытных машин и уникальных испытательных стендов. Конструкторы ленинградского завода «Электросила» впервые в мировой практике разработали и внедрили водородное охлаждение роторов. Статор же охлаждался водой, которая текла по полым медным проводникам обмотки. Для крепления были применены новые материалы, позволившие насколько возможно убрать вибрацию и не допустить резонанса.

Аналогичный путь исследований и устранения трудностей проходили и зарубежные турбостроительные фирмы. В США и Японии ныне строятся турбогенераторы в основном с водородно-водяным охлаждением мощностью до 1100 МВт. Фирма «Сименс», создающая турбогенераторы для атомных электростанций, освоила выпуск агрегатов мощностью 1500 МВт, частотой вращения 1800 об/мин и частоте тока 60 Гц. Фирма использует только водяное охлаждение как для обмоток статора, так и для ротора. А фирма «Альстом-атлантик» построила для атомных электростанций серию четырехполюсных турбогенераторов мощностью 1600 МВт.

Однако такие гиганты, как выяснилось из опыта мирового энергомашиностроения, кое в чем проигрывали по сравнению с турбогенераторами средних мощностей. Особенно если сравнивать их с более простыми парогазовыми установками. Первый такой турбогенератор мощностью 150 МВт и частотой вращения 3000 об/мин с более простой системой воздушного охлаждения был построен в АО «Электросила» для Северо-Западной ТЭЦ в 1996 году.

Следующим, вторым, звеном нашей цепи является линия электропередачи, ЛЭП, с преобразовательными подстанциями, трансформаторами и всевозможными вспомогательными устройствами. Главная задача ЛЭП – экономичная передача электрической энергии от генератора к приемнику, от электростанции к потребителю. Сегодня линии представляют собой грандиозные сооружения из высоченных мачт-опор с подвешенными на них многокилометровыми проводами (не менее грандиозными являются и линии подземных и подводных кабелей).

Россия – самая протяженная страна в мире. Основное население и промышленность сосредоточены в ее европейской части, а источники электроэнергии в большей степени – в восточной. И с каждым годом для транспортировки энергии нам приходится строить линии электропередачи на все большие и большие расстояния. Вы, конечно, понимаете, что чем длиннее линия передачи, тем больше в ней неизбежных потерь. Чтобы их снизить (я уже не раз об этом говорил), надо повышать напряжение. Вы помните, что чем выше напряжение на линии, тем меньшая сила тока нужна для передачи одной и той же мощности. А чем меньше сила тока, тем ниже потери. Этими соображениями и руководствуются проектировщики и строители, испытывая на полигонах модели линий электропередачи на 100 и 1000 кВ.

Третье звено – потребитель, от электрической лампочки и до. Пожалуй, сегодня не то что перечислить основных потребителей, но даже обозначить их границы невозможно. Мы живем в электрическом мире, и этим все сказано. Представить себе жизнь современного города без электричества невозможно! Мы создали для себя искусственный мир и не заметили, как сами оказались в его плену. Но пути назад не существует. Колесо истории и прогресса крутится только в одну сторону. Значит, надо работать дальше – изобретать, конструировать, двигать техническую мысль. Это интересно, в этом смысл жизни инженера.

Помните, чей это девиз? Надпись была выбита на корпусе «Наутилуса», подводной лодки капитана Немо. Роман «Двадцать тысяч лье под водой» был написан Жюлем Верном в 1870 году. Запомните эту дату.

А теперь переберем в памяти некоторые подробности конструкции фантастического «Наутилуса». Длина – 70 м. Максимальная ширина – 8 м. Водоизмещение – 1500 т…

По сравнению с современными атомными подводными крейсерами – габариты скромные. Но вспоминаем дальше: двойной корпус из стали повышенной прочности позволял подводной лодке погружаться на любую глубину. При этом мощный прожектор разгонял мрак мира безмолвия на полмили вперед. Не поднимаясь на поверхность, «Наутилус» мог пройти до 4000 км!.. Знатоки скажут: «Тоже не очень…» Но я еще раз напомню – 1870 год! А какие подводные лодки знали к этому времени в мире?

1863 год. Во Франции спущена на воду подводная лодка, изобретенная капитаном Буржуа и инженером Брюном: 41,5 м длины, 6 м ширины и 3,5 м высоты. Лодка вооружена шестовой миной и благодаря машине, работающей на сжатом воздухе, развивает скорость до пяти узлов. После удачных испытаний и лестных отзывов комиссии лодка сдана порту.

1866 год. В России на Кронштадтском заводе построена и спущена на воду подводная лодка конструкции петербургского фотографа Александровского: длина – 33,5 м, ширина – около 4 м и высота – 3,5 м. Водоизмещение – 220 т. Двигалась она силой сжатого воздуха, который хранился в 200 газгольдерах. Испытание прошло удачно. Однако когда в дальнейшем лодку опустили на глубину примерно 30 м, обшивка не выдержала, и судно затонуло.

Строились в ту пору лодки в Англии и в Америке, так что сама идея подводного плавания, как говорится, витала в воздухе.

Но пока то, что выходило из мастерских, больше походило на цистерны. Это были клепанные из стальных листов неуклюжие, беспомощные аппараты. Двигатели на сжатом воздухе могли работать не более получаса. Да и вообще большая часть этих монстров тонула еще на испытаниях. А «Наутилус»? Великолепный подводный корабль оживляло электричество!

Жюлю Верну было 10 лет, когда по волнам реки Невы поплыла против течения шлюпка, приводимая в движение «магнитной машиной» Якоби. Может возникнуть вопрос: откуда автор серии романов «Необыкновенные путешествия» черпал технические идеи для своих произведений?

Я не знаю, был ли знаком французский романист с трудами российского изобретателя, но можно предположить, что был. Потому что основные работы Бориса Семеновича Якоби публиковались не только в «Известиях Санкт-Петербургской академии наук», но и в Германии – в физико-химическом журнале «Анналы» Иоганна Поггендорфа, а также были изданы Парижской академией наук.

Однажды настойчивая английская журналистка Мэри Бэллок уговорила Жюля Верна показать ей свой рабочий кабинет, ввести ее в «тайное тайных». Ей пришлось подняться по узкой винтовой лестнице на верхний этаж, где она увидела скромную небольшую комнату со столом, рабочим креслом и кроватью.

– Как, и это все? – удивилась журналистка.

И тогда хозяин дома повел ее коридором, сплошь увешанным географическими картами, и отворил дверь в комнату, заставленную книжными шкафами. Это была библиотека. Всевозможные труды по географии и записки путешественников, книги по геологии, физике, химии, по астрономии и технологии бесчисленных производств заполняли шкафы. Тут же находилась великолепная картотека, составленная самим Верном и содержащая интересные сведения по всем отраслям знаний. Громадный стол посредине был завален газетами, журналами и бюллетенями научных обществ. Когда он успевал все это прочитывать и что мог он найти для фантазий, опережающих время, в научной литературе своей эпохи?

Итак, жюль-верновский «Наутилус» жил и действовал благодаря электричеству. Прислушаемся к диалогу, который ведут между собой капитан Немо и его пленник профессор Аронакс.

«– Тут, господин профессор, я должен буду дать вам некоторые разъяснения, – сказал капитан Немо, – не угодно ли выслушать их? Помолчав немного, он сказал: – В природе существует могущественная сила, послушная, простая в обращении. Она применима в самых различных случаях, и на моем корабле все подчинено ей. От нее исходит все! Она освещает, отапливает, приводит в движение машины. Эта сила – электрическая энергия!

– Электрическая энергия? – удивленно воскликнул я.

Подводные лодки XIX столетия

«Наутилус» капитана Немо

– Да, сударь.

– Однако ж, капитан, исключительная быстроходность вашего корабля плохо согласуется с возможностями электрической энергии. До сей поры динамическая сила электричества представлялась весьма ограниченной и возможности ее чрезвычайно ничтожны.

– Господин профессор, – отвечал капитан Немо, – способы использования электричества на корабле значительно отличаются от общепринятых…»

Вот в чем оказывалась причина мощности «Наутилуса». Таинственные гальванические элементы, использующие, по словам капитана Немо, извлеченный из морской воды хлористый натрий, то есть обычную поваренную соль, в соединении со ртутью давали электрический ток и питали насосы и двигатели, освещали, отапливали и осуществляли вентиляцию подводной лодки. Поскольку капитан Немо был уверен, что его пленник отныне навсегда связан с подводным кораблем, он не скрывал от профессора Аронакса своих технических секретов…

«– Вы видите, – сказал капитан Немо, – я пользуюсь элементами Бунзена, а не Румкорфа. Последние не дали бы мне такого высокого напряжения. Батарей Бунзена у меня не так много, но зато работают они на большой мощности. Электрическая энергия, выработанная батареями, передается в машинное отделение, приводит в действие электромоторы, которые через сложную систему трансмиссий сообщают вращательное движение гребному валу. И несмотря на то что винт в диаметре равен 6 метрам, скорость вращения его доходит до 120 оборотов в секунду.

– И вы развиваете скорость.

– Пятьдесят миль в час.

Первая электрическая дорога на Берлинской выставке 1879 года

Тут крылась тайна, и я не настаивал на ее разъяснении. Как может электричество дать столь высокое напряжение? В чем источник этой сверхмощной энергии? В высоком ли качестве арматуры нового образца, в которой индуктируется ток? В системе ли трансмиссий неизвестной дотоле конструкции, способной довести силу напряжения до бесконечности? Я не мог этого понять…»

Жюль Верн был убежден, что именно электричество «в будущем заменит ветер, воду и паровые двигатели», преобразует технику и коренным образом изменит жизнь общества.

Пожалуй, самой первой областью применения электродвигателей стал транспорт. Конно-железные дороги в разросшихся городах не справлялись с пассажиропотоком. Паровой транспорт не устраивал горожан из-за грязи, дыма и копоти.

Сначала инженерная мысль вертелась вокруг создания автономных тяговых устройств. Гальваническая батарея или аккумуляторы размещались на лодке или в самом экипаже, там же стоял и питаемый ими двигатель. Эта система требовала совершенствования аккумуляторов и зависела от них.

Электрический локомотив фирмы «Сименс и Гальске» для рудников

После изобретения генератора Грамма внимание изобретателей перекинулось на неавтономные системы, в которых электрическая энергия передавалась по проводам к двигателю, установленному на экипаже.

В 1879 году фирма «Сименс и Гальске» построила на Берлинской промышленной выставке небольшую электрическую железную дорогу, способную перевозить пассажиров. Электроэнергия по отдельному контактному рельсу подводилась к двигателю моторного вагона, напоминающего современный электрокар. Обратным проводом служили рельсы, по которым двигался поезд, состоящий из моторного вагона и трех тележек. На них размещалось 18 пассажиров.

Затем американский инженер Ван-Депуль и Вернер фон Сименс независимо друг от друга изобрели питание моторного вагона от верхнего контактного провода. Новоизобретенный способ передвижения быстро завоевал популярность, и буквально в считанные годы во многих городах были построены электрические железные дороги (трамвайные линии). Нашли они применение и в горнодобывающей промышленности.

Один из первых американских трамваев с контактным проводом

Слово «трамвай» составлено из двух английских: tram – вагон и way – путь. В России первый трамвай был пущен в Киеве в 1892 году. Городские власти долго сопротивлялись постройке линии. Были испробованы конная и паровая тяги для подъема по крутой горке с окраинного Подола к Крещатику. Но ни то ни другое средство осилить подъем не смогло. Пришлось строить электрический трамвай.

Первый трамвай побежал по берлинским улицам, вернее, в берлинском пригороде в 1881 году. Электрический ток по рельсам подводился к двигателям мощностью всего по 4,5 лошадиных силы. Вагоны с открытыми площадками были рассчитаны на 24 пассажира. Потом американцы предложили верхний контактный провод с роликовым токоприемником, а еще через год немецкие изобретатели сделали контактную петлю.

С этого момента трамвай начал быстро распространяться и в европейских странах, и в США. Некоторые компании пробовали составить ему конкуренцию, вводя омнибусы с аккумуляторами, которые устанавливались под пассажирскими сиденьями. Но они оказались дороже в обслуживании и вообще в эксплуатации. Тем не менее городской электрический транспорт с автономным питанием довольно долго не сдавал своих позиций.

Немецкий трамвай с контактной петлей

В местах, где городские власти не разрешали вешать воздушные провода, применялись вагоны с комбинированным питанием. В Ганновере, например, аккумуляторные батареи заряжались во время пробега вагона по пригородным участкам пути, снабженным контактным воздушным проводом, и запасали достаточно энергии, чтобы провести вагон по беспроводному центру города.

Теснота берлинских улиц, загруженность их транспортом и пешеходами вызывали неизбежное снижение скорости передвижения и это привело Вернера фон Сименса к мысли о постройке воздушной дороги. Однако он встретил категорическое противодействие со стороны полицейского управления. Десять лет проект пролежал под спудом, обрастая новыми подробностями. И когда в 1891 году фирма «Сименс и Гальске» добилась пересмотра своего предложения, то чиновники магистрата увидели план, на котором была изображена обширная сеть не только воздушных, но и подземных дорог. Город согласился на постройку одной линии, идущей от Варшавского моста к Зоологическому саду, с ответвлением к Потсдамскому вокзалу. И в 1893 году железные виадуки первой воздушной электрической дороги в Берлине с положенными на них рельсами были воздвигнуты.

Электрическая воздушная дорога в Берлине

Примерно тогда же директор газомоторной фабрики Ланген предложил другую систему воздушной электрической железной дороги. Он пустил вагон не по рельсам, а подвесил его под ними. И «Акционерное общество Шуккурт и К^о» построило висячую железную дорогу Эльберфельд-Бармен в долине реки, соединив ряд городов.

В 1882 году родился новый вид городского транспорта – троллейбус. Первая троллейбусная линия была построена в Германии, в Шпандау.

Слово «троллейбус» состоит из двух английских: trolley (так называется контактный провод с роликовым токоприемником) и bus – омнибус, автобус.

В России первые троллейбусы, построенные заводом «Динамо», появились в Москве в 1933 году.

Троллейбусы имеют много преимуществ перед трамваями и автобусами: они не столь шумны, не загрязняют атмосферу и очень просты в обслуживании, особенно в холодное время года.

Чтобы освободить улицы городов, дорожники уже давно строили подземные переезды, по которым шли поезда с обычными паровозами. Метрополитены строили разным способом. В Лондоне прокладывали тоннели. В Будапеште рыли канавы вдоль улиц и перекрывали их мостовыми. С тех пор эти способы принципиально мало изменились. Разве что техника на строительства пришла другая. Сегодня метрополитен даже более привычен, чем трамвай, доживающий свое время. Главная проблема городского транспорта по-прежнему – теснота улиц. Большие города без подземок просто не могли бы существовать. И конечно, для движения в тоннелях электродвигатели оказались вне конкуренции.

Так выглядели аккумуляторные батареи в вагоне «Большого берлинского общества городских дорог»

Повсеместно на электрическом транспорте получил применение постоянный ток. Он обеспечивал удобное регулирование и надежную работу электродвигателей. Дальше, по мере перехода энергетического хозяйства на переменный ток, для транспорта и для других промышленных нужд пришлось разрабатывать и сооружать подстанции, преобразующие переменный ток в постоянный.

Сегодня электрический транспорт настолько развился, что его целесообразно разделить на системы. Сначала это железнодорожный и городской транспорт, а также подъемно-транспортное оборудование. За ним следуют судовые электроэнергетические системы. Наконец, авиационное и авиакосмическое электрооборудование. Каждая из систем имеет свою историю развития и свои особенности.

Электрическая висячая дорога Эльберфельд-Бармен

В железнодорожном транспорте по-прежнему существует два вида тягового подвижного состава. Один из них – автономный, с первичным двигателем (обычно дизелем) на локомотиве и связанным с ним генератором постоянного или переменного тока (синхронного). От генератора электропитание идет к тяговым электродвигателям, связанным с колесными парами, которые и гонят состав по рельсам.

Существует и неавтономный подвижной состав – хорошо знакомые всем нам «электрички», поезда метрополитена… Их двигатели получают электроэнергию через линию электропередачи от электростанции.

Строительство подземной дороги в Будапеште

В зависимости от потребляемого тока, электрическая тяга бывает трех видов: постоянного тока с номинальным напряжением на токоприемнике 3 кВ, однофазного переменного тока промышленной частоты с напряжением 25 кВ (в этом случае на электровозе приходится ставить понижающий трансформатор и выпрямитель) и, реже, однофазного тока пониженной частоты.

В 1924 году на Коломенском машиностроительном заводе был построен отечественный тепловоз с электрической передачей по проекту инженера Якова Гаккеля. А первые восемь электровозов СССР получил в 1932 году из США. Кстати, на шести из них уже стояли отечественные двигатели, выпущенные заводом «Динамо». В том же году «Динамо» совместно с Коломенским машиностроительным заводом изготовил два отечественных аналога американских электровозов, и в проектном бюро начались работы по созданию отечественного электровоза, более подходящего для российских железных дорог. Первый шестиосный грузовой электровоз был выпущен в СССР в 1936 году. И дальше развитие электровозов постоянного тока шло по пути наращивания мощности, чтобы они могли таскать за собой более длинные составы.

После Великой Отечественной войны выпуск электровозов был освоен на восстановленном паровозостроительном заводе в Новочеркасске. В 60-70-х годах наши железные дороги получали электровозы из Чехословакии и Грузии. Но после распада СССР эти поставки прекратились.