Історія виникнення електроенергії та розвиток її передавання на відстань

Ми всі зараз живемо в сучасному світі, та цілодобово на повну використовуємо всі його блага. Прокинувшись, готуємо сніданок на електроплиті та п’ємо каву, яку приготувала кавоварка, і все це робимо під музику або ж під ранкові новини по телевізору. Заряджаємо свої телефони на день, та вирушаємо в офіс, де нас чекає цілий день за комп’ютером (добре хоч є Wi-Fi, та можна трохи відволіктись на соц. мережі), та чекаємо вечора, щоб подивитись вдома новий сезон серіалу.

Так, ми вже дуже звикли до цього, що навіть не можемо уявити як люди жили раніше без світла, електроприладів та телекомунікацій.

Сьогоднішня наша тема – історія виникнення електроенергії та розвиток її передавання на відстань.

Перші згадки про електрику з’явилися ще у 600-х роках до н. е., коли давньогрецький філософ Фалес Мілетський, одного разу натирав бурштин об шерсть, і помітив, що камінь притягує до себе легкі предмети, між якими з'являється електричний струм.

До речі, саме від слова «бурштин», що в перекладі на грецьку буде «електрон», згодом і пішов термін «електрика». Але поява цього поняття та введення його в науковий обіг, належить англійському фізику і придворному лікарю Вільяму Гільберту, який в 1600 році видав книгу «Про магніти і магнітні тіла», в якій повідав свої знання про електрику і магнетизм. Він винайшов прилад, який назвав «версор», що нагадує нинішній електроскоп, призначенням якого є виявлення наявності електричного заряду. Саме під час користування цим приладом, він довів, що не тільки бурштин може притягати предмети, а що таку «електричну» властивість мають також: скло, алмаз, сапфір, аметист, опал, сланці, сірка та багато інших тіл.

Згодом, у середині XVII століття, німецький вчений Отто фон Геріке створив перший електроприлад, що був прототипом електростатичного генератора. Прилад представляв собою кулю з сірки, яка була закріплена і оберталась на металевому штифті. Завдяки цьому винаходу, було виявлено властивість предметів не тільки притягуватись, але й відштовхуватись. Прилад Геріке став прототипом всіх майбутніх електричних відкриттів.

Англійський вчений Стівен Грей, проводивши досліди у 1729 році, вперше виявив, що електрику можна передавати на невеликі відстані (до 800 футів) за допомогою провідників (зволожених ниток), використовуючи ізоляцію. Під час своїх експериментів він також виявив, що електрика не передається по землі. Саме це дало початок дослідженням струмів, що згодом дало змогу класифікувати речовини на "електрики" (провідники) та "діелектрики" (ізолятори).

До кінця XIX століття електрику використовували тільки на місцях її вироблення, адже по суті не було гострої необхідності в її використанні в місцевому виробництві. Все змінилось після того, як винайшли електричне освітлення. Передача електроенергії на далекі відстані набрала актуальності, адже великі міста потребували освітлення, але вони були віддалені від джерел енергії.

На виставці у Відні в 1873 році французький електротехнік Іпполіт Фонтен вперше здійснив електропередавання на 1 кінську силу (приблизно 0,7кВт) по телеграфним дротам на відстань 1км, використовуючи генератор і двигун постійного струму. Саме цю подію справедливо можна вважати початком в історії передавання електроенергії на відстань. Але практичного застосування цей дослід не отримав, навіть сам Фонтен вважав, що подібна передача енергії можлива лише на невеликі відстані при незначній потужності.

В результаті досліду, була зафіксована значна втрата енергії в кабелі, то ж потрібно було знайти способи передавання на більші відстані з економічно прийнятним ККД. Згідно Закону Джоуля-Ленца випливає висновок, що теплові втрати можуть бути зменшені завдяки збільшенню напруги або за рахунок зменшення опору у проводах (а це можливо лише за рахунок збільшення їх площі поперечного перерізу).

У 1874 році Ф.А. Піроцький на Волковському полі розпочав свої досліди з передачі електроенергії на відстань 1км потужністю 6 кінських сил. Згодом, у 1875 році полтавчанин вирішив дослідити спосіб збільшення поперечного перерізу, запропонувавши випробувати у якості провідника залізничні рейки, поперечний переріз яких у 600 разів більший за телеграфний провід. Так, на Сестрорецькій залізниці був проведений дослід з передавання електроенергії на 1км.

Обраний Піроцьким шлях не набув практичного застосування, та все ж його досліди привернули увагу та сприяли вияву більш правильного способу розв’язання проблеми передачі електрики на більші відстані – спосіб зі збільшенням напруги. Пізніше, його ідея використання залізничних рейок знайшла застосування. Через декілька років саме Федір Піроцький, український інженер, стане винахідником першого у світі трамваю на електричній тязі.

Можливість електропередачі на великі відстані незалежно один від одного досліджували російський вчений Д.А. Лачинов і французький інженер М. Депре.

У 1880 році професор фізики Д. Лачинов математично довів, що для збереження ККД передачі при збільшенні опору, маючи на увазі саме збільшення довжини ЛЕП, - потрібно підвищити напругу на генераторі. Через рік цього ж висновку дійшов француз Марсель Депре, та першим став на практиці розвивати спосіб передавання енергії постійним струмом за рахунок підвищення напруги.

У 1881 році в Парижі Депре, перебуваючи на виставці, продемонстрував невеличку установку передачі й розподілу електроенергії від однієї динамо-машини постійного струму. Під час конгресу електриків, що відбувся під час виставки, Депре припустив, що, використавши телеграфний провід d=4мм можна передати на відстань до 50км потужністю в 10 кінських сил при потужності генератора в 16к.с. Для втілення в реальність його припущення йому запропонували використати водоспад поблизу Мюнхена. Відстань між двигуном і гідротурбіною була 57км, то ж йому довелось збільшити початкову напругу електропередачі за рахунок динамо-машини Грамма, яка здатна була розвивати напругу від 1400 до 2000 вольт, яку приводила в рух парова машина потужністю в 2к.с. ККД при цьому склав 22%.

Дослід можна було вважати успішним. Але ізоляція динамо-машини виявилась ненадійною, тому Депре, під час випробування, не наважився підняти напругу вище ніж 1500 вольт. А парова машина зламалась на наступний же день. Та й використання споживачами такої високої напруги було небезпечним. Проте ефект все одно перевершив всі очікування, та дав поштовх для подальшого розвитку електропередачі на великі відстані.

Пізніше Депре спорудив декілька ЛЕП у Франції. Проте згодом, результати, які він досягнув втратили свою актуальність після того як з’явились лінії перемінного струму.

Михайло Доліво-Добровольський - інженер-електротехнік родом з Росії, діяльність якого була направлена на вирішення задач, з якими будь-що довелося б зіштовхнутись під час широкого використання електроенергії. Саме праця в цьому напрямку спрямувала його до розробки трифазної електросистеми та створення у 1889р. бездоганної конструкції асинхронного електродвигуна, яка не змінилась і до нашого часу. У 1891 році відбувся прорив в електропередачі - дослід М.О. Доліво-Добровольського, під час якого енергія від установки у м.Лауффен була передана у Франкфурт по трифазній лінії на 175км. Енергія передавалась за напруги 15200В, перетворюючись за допомогою трифазних трансформаторів. ККД лінії складав майже 81%. Даний досвід сприяв впровадженню змінного струму і високовольтних систем передачі.

Швейцарський інженер Рене Тюрі запропонував передавання електроенергії постійним струмом при послідовному ввімкненні в лінію передачі джерел і споживачів енергії. Даний спосіб назвали системою Тюрі, а найбільша лінія «Мутьє-Ліон» довжиною в 180км (напругою 57кВ і потужністю 5МВт) по його системі була збудована у Швейцарії. Лінії за системою Тюрі з постійним струмом розвивались паралельно з розвитком електропередачі зі змінним струмом, але з роками його лінії були розібрані та перероблені на лінії змінного струму.

Електропередача на постійному струмі, як показав досвід XIX століття, мала значні недоліки: передача на генераторній напрузі обмежувалась низькими рівнями, постійний струм високої напруги було важко використовувати у споживача, адже потрібно було мати генераторну установку, яка б дозволяла перетворювати струм з високої напруги на низьку.

Весь подальший розвиток заключався в підвищенні напруги та збільшенні довжини ліній, з оптимальними при цьому втратами у лініях. Але подальше зростання напруги в лініях обмежувалось можливостями щитових ізоляторів, які не дозволяли підняти її вище ніж 70кВ. Винайдення підвісних ізоляторів на початку ХХ століття дозволило збільшити напругу, так в Америці та Німеччині в 1908-1912рр. були побудовані перші ЛЕП змінного струму напругою 110кВ, а у 1923 – 220кВ.

Енергосистема України являє собою сукупність атомних, теплових та гідравлічних електростанцій, які забезпечують енергетичний потенціал України. Сучасна енергетика рухається в напрямку розвитку екологічно чистої енергетики з відновлювальних джерел енергії.