Мир электричества - Анатолий Томилин

Сообщение об этом оригинальном процессе для собрания электротехнического отдела Русского технического общества подготовил выдающийся физик и электротехник, доцент Петербургского лесного института Дмитрий Александрович Лачинов. Он же написал о нем и статью в первый номер нового русского журнала «Электричество».

По просьбе Владимира Николаевича Чиколева, ставшего в 1880 году во главе редакции журнала «Электричество», Лачинов, много занимавшийся теоретическими вопросами электротехники, разработал ряд формул для определения освещенности поверхностей. Чиколев использовал эти формулы в своей статье «Об электрическом освещении улиц, мостов и площадей».

Но чтобы окончательно вытеснить газ, следовало прежде всего решить проблему централизованного производства электричества и придумать способы передачи электроэнергии на значительные расстояния. Тогда можно будет шире использовать электричество и для питания установок электропривода. Пока же редкие электродвигатели работали только на более или менее крупных предприятиях, которые имели свои достаточно мощные блок-станции с динамо-машинами постоянного тока.

В тисках научно-технических противоречий

В начале электричество применялось в основном для освещения. При этом производство электроэнергии не отделялось от потребителя. В отдельных домах, чаще всего в подвальных помещениях, стояли свои генераторы, которые и обслуживали немногих потребителей. Такие частные установки назывались «домовыми», или «блок-станциями». В них входили все основные части электросети. Главной, понятно, были машины, производящие электроэнергию. Но не менее важными оказывались и первичные двигатели, приводящие в движение роторы генераторов. Дальше следует назвать системы и приспособления для распределения электрической энергии по приемникам, сами приемники (или, правильнее сказать, – потребители) и, наконец, – приборы для контроля и всевозможные выключатели тока.

Очень скоро выяснились и недостатки блок-станций. Кому из домовладельцев понравится иметь у себя в подвале целое производство? Возникали проблемы топлива и дополнительной уборки, шума и обслуживания… Генераторы блок-станций вырабатывали только постоянный ток малого напряжения. Следовательно, обеспечить энергией они могли либо отдельное строение, либо, в лучшем случае, район, радиусом не более одного километра. На больших расстояниях потери в проводах становились настолько большими, что электроэнергия оказывалась нерентабельной.

Паровой двигатель и динамо-машина, соединенные ременной передачей

Для дальнейшего развития электрического освещения электротехникам предстояло решить целый комплекс задач. Прежде всего нужно было научиться качественно и в достаточном количестве производить дешевую электроэнергию. То есть на место маломощных магнитоэлектрических машин должны были прийти крупные генераторы с малыми собственными потерями, способные выдерживать достаточно высокое напряжение. Такие генераторы позволят отказаться от блок-станций и перейти к централизованной выработке электроэнергии, создать подлинные «фабрики электричества». Но генераторов таких не существовало, их предстояло еще изобрести. Равно как следовало подумать и о первичных двигателях.

Наличие центральных станций сразу же требовало увеличения радиуса потребительской сферы. Длина линий передачи энергии должна вырасти, а вместе с тем возрастут и потери. Как тут быть?

Быстроходная пародинамо фирмы «Вестингауз»

Посмотрим, как решались проблемы по всем направлениям, начиная с первичных двигателей, приводивших во вращение роторы электрических машин. В качестве первичных двигателей на блок-станциях использовались сначала паровые машины. Ременная передача соединяла их шкивы с роторами динамо-машин, и те вырабатывали электроэнергию. От первичного двигателя требовался очень равномерный ход. Любое нарушение сказывалось на вырабатываемом электрическом напряжении, а на это реагировали лампы накаливания – они начинали «мигать». Даже шов на ремне вызывал заметное мигание света. Кроме того, со временем кожаные ремни вытягивались и начинали проскальзывать. Приходилось ставить генераторы на салазки, чтобы менять натяжение даже во время работы.

Немало трудностей доставляли и различия в скоростях вращения паровой машины и генераторов. Роторы динамо-машин «хотели» крутиться быстро, а паровые машины могли это делать медленно. Разницу устраняли, меняя диаметры шкивов.

В 1889 году шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль изобрел быстроходную паровую турбину. Но опять беда, одноступенчатые турбины Лаваля крутились слишком быстро.

Силогазовая электрическая станция близ Гарца

Более паровых машин и турбин в качестве первичного двигателя подходила конструкция «атмосферного двигателя», предложенная в 1867 году немецким изобретателем Николаусом Августом Отто совместно с инженером Эйгеном Лангеном. Позже, используя идею четырехтактного цикла со сжатием, Отто в 1876 году сконструировал четырехтактный газовый двигатель. На Всемирной выставке 1878 года в Париже двигатель получил очень высокую оценку, поскольку отвечал всем требованиям времени, предъявляемым к двигателям подобного рода. Его стали широко выпускать заводы «Отто-Дейтц» и другие предприятия.

Следующая проблема заключалась в том, что мелкие блок-станции оказывались неэкономичными. Слишком велики были накладные расходы, и слишком дорогой оказывалась их энергия. Между тем потребители, будь то домовладельцы или фабриканты, деньги считать умели. Какой же мог быть выход? Объединить разрозненные блок-станции в центральные и создать «фабрики электричества», что позволит одновременно расширить радиус электросети.

В XIX столетии «фабриками электричества» называли более или менее мощные электростанции, централизованно вырабатывающие электрическую энергию.

Сегодня это гигантские сооружения с высоченными трубами, с плотинами или атомными реакторами. Причем это не просто двигатель первого рода плюс электрогенератор, а еще и огромное хозяйство, состоящее из трансформаторов, устройств грозозащиты, измерительной аппаратуры и т. д.

Глава 11. Электричество отправляется в путь

Главный барьер

Полученную энергию нужно было во что бы то ни стало научиться транспортировать на дальние расстояния. И для этого тоже следовало решить ряд проблем. Прежде всего требовалось создать дешевую технологию изготовления проводов. Затем научиться их надежно изолировать. Сколько мучений доставляла вязкая масса сургуча, смешанного с парафином, которой Василий Владимирович Петров изолировал провода, идущие от его «огромной наипаче» батареи к углям дуги. А Павел Львович Шиллинг, изобретатель телеграфа и электрических мин, изолировал провода, уложенные в землю, пенькой, пропитанной озокеритом.

В 1949 году, в начале строительства ленинградского метрополитена, рабочие откопали кабель, проложенный Борисом Семеновичем Якоби. В деревянном желобе лежала заключенная в стеклянные трубки проволока, обмотанная суровыми нитками, которые были пропитаны смесью воска с канифолью. Лишь после изобретения в 1839 году способа вулканизации каучука этот материал стали применять для изоляции. Ох, дороги были первые провода, дороги!

Однако главным барьером на пути передачи энергии на большие расстояния оставались потери в проводах. Как их уменьшить? Можно, конечно, увеличить сечение проводов. Известно, что чем толще провод, тем сопротивление его меньше, меньше станут и потери. Но чем толще провода, тем они дороже, а это был отнюдь не пустяк. Для электрических проводов использовалась в основном медь, металл дорогой. Достаточно сказать, что при строительстве электросети стоимость соединительных проводов в XIX веке равнялась примерно трети стоимости станции.

Пожалуй, одним из первых опытов передачи энергии на сравнительно большое расстояние была работа французского инженера Ипполита Фонтена. На Венской выставке 1873 года он проложил кабель длиной более километра между двумя машинами Грамма. Одна из них давала ток, а другая работала в качестве двигателя. Однако потери даже в этой линии оказались настолько большими, что сам экспериментатор пришел к выводу, что экономичная передача электроэнергии на значительное расстояние вряд ли возможна вообще.

В сентябре 1874 года в Петербурге на Волковом поле похожими работами занимался русский инженер Федор Аполлонович Пироцкий. Шестисильная динамо-машина приводилась в действие локомобилем и давала ток в линию длиной 50 м. В конце линии стояла вторая динамо-машина, которая приводилась в действие током первой. Опыт подтвердил обратимость динамо-машин, в чем еще далеко не все ученые были убеждены.