Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Рис. 11.4. Последовательные и параллельные цепи

Чтобы снизить потери при передаче, он решил использовать напряжение 110 вольт, а не более низкое. Это решение оказалось более дальновидным, чем Эдисон мог предположить. Для того чтобы полнее использовать преимущества высокого напряжения при распределении, не повышая напряжения на отдельных лампах, Эдисон придумал систему трех проводов, в которой при подаче 220 вольт каждая лампа использует только 110 вольт, а любой некомпенсированный ток возвращался по «нейтральному» проводу.

Использование высокого напряжения для ламп являло собой новые проблемы в применении металлических нитей. И Эдисон начал испытывать другие материалы с высоким сопротивлением для нитей. Сначала он использовал карбонизированную нить в вакууме, но она светила только два дня. Эдисон долго искал материал, который, если его карбонизировать при отсутствии кислорода, станет нитью накала с длительным сроком службы. В конце концов он остановился на расколотом бамбуке. В 1880 году Эдисон устроил демонстрацию своих ламп, установив их – в количестве 500 штук – в своих лабораториях в Менло-парке и вокруг них. Демонстрация привлекла такое широкое внимание, что пенсильванской железной дороге пришлось запустить специальный поезд, чтобы доставлять всех желающих посетить лаборатории. Система Эдисона была впервые применена в 1879 году на судне Jeanette, которое отправилось в арктическую экспедицию. На нем были установлены генератор и электрические лампы, работавшие вполне надежно в течение двух лет, после чего судно было раздавлено льдами. Эдисон оснастил электрическим освещением еще одно судно, Columbia – в каждой каюте была установлена лампа силой света 5 свечей. Судно курсировало между Сан-Франциско и Портландом. Его силовая установка, смонтированная в 1880 году, была разобрана в 1895 году. К 1882 году Эдисон установил более 150 силовых установок в частных домах, отелях, конторах, магазинах и т. д.

В сентябре 1879 года Калифорнийская электрическая компания открыла небольшую экспериментальную электростанцию, состоящую из трех генераторов Браша, чтобы продавать электричество для дугового освещения покупателям с Сан-Франциско. В течение года постоянно растущий спрос доказал, что эксперимент удался. Появилась необходимость в строительстве более крупной станции. Эти две станции стали первыми «центральными станциями» для коммерческого снабжения электричеством. Создание центральных станций, а впоследствии и сети линий электропередачи является чрезвычайно важным для современного общества. Хотя личный паровой генератор в магазине, офисном здании или частном доме может использоваться и в наше время, имеются очевидные трудности, связанные с эксплуатацией парового котла и генератора в подвале. Значительно удобнее и экономичнее централизованное производство электричества и его передача по проводам.

После Сан-Франциско центральная электростанция была построена на Холборнском виадуке в Лондоне. Станция начала работать 12 января 1882 года и обеспечивала энергией 3000 ламп накаливания от динамо-машин постоянного тока Эдисона «Джумбо», работавших от паровых двигателей Армингтона и Симса. Между тем британский закон об электрическом освещении, принятый в том же году, был направлен на сохранение монополии на газовое освещение, поэтому запрещал строительство крупных генераторных станций и серьезно мешал развитию электрического освещения в Британии. Широко разрекламированная станция Эдисона на Pearl Street в Нью-Йорке была введена в эксплуатацию 4 ноября 1882 года. В ней было шесть больших генераторов постоянного тока (рис. 11.5), вырабатывающих в совокупности более 900 лошадиных сил, то есть достаточно энергии для 7200 ламп при напряжении 110 вольт. Поршневые двигатели Портера и Аллена снабжались паром от котлов Бабкока и Викокса (рис. 11.6) и приводили в действие генераторы. При открытии станция обслуживала около 60 покупателей с 1300 лампами. Ток передавался по подземным каналам при 110 вольтах. Проводниками были полукруглые медные стержни длиной около 20 футов, вставленные в железные трубы, от которых они были отделены картонными прокладками. Затем трубы заполнялись битумным соединением для изоляции. Станция работала вполне успешно, и вскоре подобные центральные станции были установлены в разных районах Нью-Йорка и других городах. Станция на Pearl Street сгорела 2 января 1890 года.

Рис. 11.5. Генераторное помещение станции на Pearl Street в Нью-Йорке, первой центральной электростанции Эдисона

Хотя центральные станции постоянного тока существенно повысили доступность электроэнергии и аккумуляторные батареи в них могли использоваться для экстренного обслуживания, они имели серьезные ограничения из-за низкого распределительного напряжения. Низкое напряжение значительно ограничивало расстояния, на которые передача постоянного тока была экономически целесообразной. Вольт – единица измерения электрического напряжения в проводнике. Этот показатель аналогичен гидравлическому давлению в водяной трубе. Ток, измеряемый в амперах, – количество электричества, текущего в проводнике. Этот показатель аналогичен количеству воды, текущему в трубе. Электрическая мощность измеряется в ваттах и является произведением вольт на амперы. Это утверждение справедливо для цепей постоянного тока, но в цепях переменного тока должен вводиться коэффициент, поскольку изменения тока и напряжения могут происходить не согласованно. Тогда коэффициент будет учитывать, насколько они разделены между собой в цикле.

Рис. 11.6. Котлы, двигатели и генераторы на станции Pearl Street

Потери при передаче или распределении энергии в основном пропорциональны квадрату количества ампер. При прочих равных условиях, если напряжение передачи удвоить, а ток уменьшить наполовину, энергия не изменится, но потери при передаче снизятся до одной четверти. В точности так же, при прочих равных условиях, если напряжение увеличить в десять раз с соответствующим уменьшением тока, потери снизятся до одной сотой при передаче данного количества энергии. Есть и другие важные факторы, влияющие на потери, но очевидно, что чем выше напряжение (или давление), тем на большее расстояние можно передать электроэнергию, и это будет экономически оправдано. В системах переменного тока трансформаторы повышают напряжение на электростанции для передачи энергии на большие расстояния. Переменный ток напряжением 220 000 вольт обычен сегодня при передаче на большие расстояния. Иногда используется даже напряжение 300 000 вольт. Постоянный ток не адаптируется для резкого увеличения или уменьшения напряжения, но в сетях переменного тока трансформаторы используются именно для того, чтобы создавать любое нужное напряжение.