Анатолий Томилин - Мир электричества

Удачный опыт дал мощный толчок промышленному развитию электрических сетей. Во всем мире люди стали внимательно присматриваться к запасам водной энергии. Несколько гидроэлектростанций были построены в Европе. Но самой большой в мире стала американская гидроэлектростанция, построенная на Ниагарском водопаде.

История этого строительства небезынтересна. Известно, что Ниагара находится на самой границе Соединенных Штатов и Канады. И в 1889 году, еще до пуска Лауфенской станции, в Америке возникло акционерное общество, которое приобрело права на использование от водопада 200 000 лошадиных сил мощности с американской стороны и 250 000 – с канадской. Совет директоров принял решение о постройке электрической линии передачи. По рекомендации английского электрика профессора Форбса электростанцию задумали разбить на отдельные части, каждая мощностью в 5000 лошадиных сил, и применить двухфазную систему Теслы. В целом Ниагарская электростанция была поистине грандиозным сооружением.

Двигатель трехфазного тока в 100 лошадиных сил конструкции М. О. Доливо-Добровольского, установленный во Франкфурте-на-Майне

Но строителям не повезло. В своем первоначальном виде электростанция проработала недолго. Скоро практичные американцы убедились, что трехфазный ток гораздо выгоднее всех прочих систем. И станция встала на переделку.

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.