История возникновения электроэнергии и развитие ее передачи на расстояние

Мы все сейчас живем в современном мире, и круглосуточно на полную используем все его блага. Проснувшись, готовим завтрак на электроплите и пьем кофе, который приготовила кофеварка, и все это делаем под музыку или под утренние новости по телевизору. Заряжаем свои телефоны на день, и отправляемся в офис, где нас ждет целый день за компьютером (хорошо что есть Wi-Fi, можно немного отвлечься на соц. сети), и ждем вечера, чтобы посмотреть дома новый сезон сериала.

Да, мы уже очень привыкли к этому, что даже не можем представить, как люди жили раньше без света, электроприборов и телекоммуникаций.

Сегодняшняя наша тема – история возникновения электроэнергии и развитие ее передачи на расстояние.

Первые упоминания об электрике появились еще в 600-х годах до н. э., когда древнегреческий философ Фалес Милетский, однажды натирал янтарь о шерсть, и заметил, что камень притягивает к себе легкие предметы, между которыми появляется электрический ток.

Кстати, именно от слова «янтарь», что в переводе на греческий будет «электрон», впоследствии и пошел термин «электричество». Но появление этого понятия и введение его в научное обращение, принадлежит английскому физику и придворному врачу Уильяму Гильберту, который в 1600 году издал книгу «О магнитах и ​​магнитных телах», в которой поведал свои знания об электрике и магнетизме. Он изобрел прибор, который назвал «версор», напоминающий нынешний электроскоп, назначением которого является обнаружение наличия электрического заряда. Именно во время пользования этим прибором, он доказал, что не только янтарь может притягивать предметы, но и что такое «электрическое» свойство имеют также: стекло, алмаз, сапфир, аметист, опал, сланцы, сера и многие другие тела.

Впоследствии, в середине XVII века, немецкий ученый Отто фон Герике создал первый электроприбор, являвшийся прототипом электростатического генератора. Прибор представлял собой шар из серы, который был закреплен и вращался на металлическом штифте. Благодаря настоящему изобретению было обнаружено свойство предметов не только притягиваться, но и отталкиваться. Устройство Герике стало прототипом всех будущих электрических открытий.

Английский ученый Стивен Грей, проводивший опыты в 1729 году, впервые обнаружил, что электричество можно передавать на небольшие расстояния (до 800 футов) с помощью проводников (увлажненных нитей), используя изоляцию. В ходе своих экспериментов он также обнаружил, что электричество не передается по земле. Именно это дало начало исследованиям токов, что позволило классифицировать вещества на "электрики" (проводники) и "диэлектрики" (изоляторы).

До конца XIX века электричество использовалось только на местах его выработки, ведь по сути не было острой необходимости в его использовании в местном производстве. Все изменилось после того, как изобрели электрическое освещение. Передача электроэнергии на дальние расстояния приобрела актуальность, ведь большие города нуждались в освещении, но они были отдалены от источников энергии.

На выставке в Вене в 1873 году французский электротехник Ипполит Фонтен впервые осуществил электропередачу на 1 лошадиную силу (приблизительно 0,7кВт) по телеграфным проводам на расстояние 1км, используя генератор и двигатель постоянного тока. Именно это событие по праву можно считать началом в истории передачи электроэнергии на расстояние. Но практическое применение этот опыт не получил, даже сам Фонтен считал, что подобная передача энергии возможна лишь на небольшие расстояния при незначительной мощности.

В результате опыта была зафиксирована значительная потеря энергии в кабеле, поэтому нужно было найти способы передачи на большие расстояния с экономически приемлемым КПД. Согласно Закону Джоуля-Ленца следует вывод, что тепловые потери могут быть уменьшены благодаря увеличению напряжения или за счет уменьшения сопротивления в проводах (а это возможно только за счет увеличения их площади поперечного сечения).

В 1874 г. Ф.А. Пироцкий на Волковском поле начал свои опыты по передаче электроэнергии на расстояние 1 км мощностью 6 лошадиных сил. Впоследствии, в 1875 году полтавчанин решил исследовать способ увеличения поперечного сечения, предложив испытать в качестве проводника железнодорожные рельсы, поперечное сечение которых в 600 раз больше телеграфного провода. Так, на Сестрорецкой железной дороге был проведен опыт по передаче электроэнергии на 1км.

Выбранный Пироцким путь не получил практического применения, но все же его опыты привлекли внимание и способствовали проявлению более правильного способа решения проблемы передачи электричества на большие расстояния — способ с увеличением напряжения. Позже его идея использования железнодорожных рельсов нашла применение. Через несколько лет именно Федор Пироцкий, украинский инженер, станет изобретателем первого в мире трамвая на электрической тяге.

Возможность электропередачи на огромные расстояния независимо друг от друга изучили русский ученый Д.А. Лачинов и французский инженер М. Депре.

В 1880 году профессор физики Д. Лачинов математически доказал, что для сохранения КПД передачи при увеличении сопротивления, имея в виду самое увеличение длины ЛЭП, - нужно повысить напряжение на генераторе. Через год к этому же выводу пришел француз Марсель Депре, и первым стал на практике развивать способ передачи энергии постоянным током за счет повышения напряжения.

В 1881 году в Париже Депре, находясь на выставке, продемонстрировал небольшую установку передачи и распределения электроэнергии от одной динамомашины постоянного тока. Во время состоявшегося во время выставки конгресса электриков Депре предположил, что, использовав телеграфный провод d=4мм можно передать на расстояние до 50км мощностью в 10 лошадиных сил при мощности генератора в 16л.с. Для воплощения в реальность его предположения ему было предложено использовать водопад вблизи Мюнхена. Расстояние между двигателем и гидротурбиной было 57км, поэтому ему пришлось увеличить начальное напряжение электропередачи за счет динамо-машины Грамма, которая способна была развивать напряжение от 1400 до 2000 вольт, которое приводила в движение паровая машина мощностью в 2л.с. КПД при этом составил 22%.

Опыт можно считать успешным. Но изоляция динамо-машины оказалась ненадежной, поэтому Депре, во время испытания, не решился поднять напряжение выше 1500 вольт. А паровая машина сломалась на следующий день. Да и использование потребителями столь высокого напряжения было опасным. Однако эффект все равно превзошел все ожидания и дал толчок для дальнейшего развития электропередачи на большие расстояния.

Позже Депре соорудил несколько ЛЭП во Франции. Однако впоследствии результаты, которые он достиг утратили свою актуальность после того, как появились линии переменного тока.

Михаил Долево-Добровольский - инженер-электротехник родом из России, деятельность которого была направлена ​​на решение задач, с которыми во что бы то ни стало пришлось бы столкнуться при широком использовании электроэнергии. Именно труд в этом направлении направил его к разработке трехфазной электросистемы и созданию в 1889г. безупречной конструкции асинхронного электродвигателя, которая не изменилась и по сей день. В 1891 году произошел прорыв в электропередаче – опыт М.А. Долево-Добровольского, во время которого энергия от установки в Лауффен была передана во Франкфурт по трехфазной линии на 175км. Энергия передавалась при напряжении 15200В, превращаясь с помощью трехфазных трансформаторов. КПД линии составлял около 81%. Данный опыт способствовал внедрению переменного тока и высоковольтных систем передачи данных.

Швейцарский инженер Рене Тюри предложил передачу электроэнергии постоянным током при последовательном включении в линию передачи источников и потребителей энергии. Данный способ назвали системой Тюри, а самая большая линия «Мутье-Лион» протяженностью в 180км (напряжением 57кВ и мощностью 5МВт) по его системе была построена в Швейцарии. Линии по системе Тюри с постоянным током развивались параллельно с развитием электропередачи с переменным током, но с годами линии были разобраны и переработаны на линии переменного тока.

Электропередача на постоянном токе, как показал опыт XIX века, имела значительные недостатки: передача на генераторном напряжении ограничивалась низкими уровнями, постоянный ток высокого напряжения было трудно использовать у потребителя, ведь нужно было иметь генераторную установку, которая позволяла бы преобразовывать ток с высокого напряжения в низкое.

Все дальнейшее развитие заключалось в повышении напряжения и увеличении длины линий, с оптимальными для этого потерями в линиях. Но дальнейший рост напряжения в линиях ограничивался возможностями щитовых изоляторов, которые не позволяли поднять его выше 70кВ. Изобретение подвесных изоляторов в начале ХХ века позволило увеличить напряжение в Америке и Германии в 1908-1912гг. были построены первые ЛЭП переменного тока напряжением 110кВ, а в 1923 – 220кВ.

Энергосистема Украины представляет собой совокупность атомных, тепловых и гидравлических электростанций, обеспечивающих энергетический потенциал Украины. Современная энергетика движется в направлении развития экологически чистой энергетики из возобновляемых источников энергии.