Время самостоятельной работы – 2 часа

Уважаемые коллеги!

Вашему вниманию представляется первая редакция учебно-методического комплекса введение в специальность «Электроэнергетические системы и сети». Комплекс предназначен для повышения квалификации персонала электросетевых компаний, не имеющего специального технического образования.

Необходимость написания данного пособия была вызвана обращением слушателей очных курсов повышения квалификации по данной теме, которые регулярно проводились коллективом авторов последние два года.

Учебное пособие состоит из трех частей. Первая часть представляет собой теоретический материал, сгруппированный в шесть тем:

- Тема 1. Развитие электротехники и электроэнергетики. Посвящена истории электротехники и электроэнергетики от древней Греции до плана ГОЭЛРО.

- Тема 2. Основные понятия и определения. Рассматриваются основные понятия электротехники (напряжение, ток, мощность). Очень важный раздел с точки зрения дальнейшего понимания принципов работы электроэнергетических систем.

- Тема 3. Основное электротехническое оборудование электрических сетей. Рассматриваются основные элементы электроэнергетических систем: электростанции, линии электропередачи, трансформаторы, коммутационное оборудование;

- Тема 4. Потери мощности и электроэнергии в электрических сетях. Анализируется структура потерь электрической энергии. Объясняются задачи снижения и нормирования потерь электроэнергии.

- Тема 5. Качество электрической энергии. Посвящена вопросам регулирования взаимоотношений между различными субъектами электроэнергетического рынка в области обеспечения качества электроэнергии. Рассматриваются причины возникновения помех в электрических сетях, их нормирование и способы снижения.

- Тема 6. Основы эксплуатации электрических сетей. Объясняются основные задачи эксплуатации электрических сетей.

Вторая часть, представляет собой набор заданий, которые необходимы для углубленной проработки теоретического материала. Выполнение заданий позволит учащемуся уйти от беглого чтения и глубже освоить изучаемый материал.

Третья часть представляет собой набор тестов к каждой теме, направленных на проверку остаточных знаний.

В качестве рекомендаций учащемуся предлагается, сначала прочитать теоретический материал, затем пользуясь этим материалом выполнить задание, а потом приступать к тестированию.

Над пособием работал коллектив авторов Московского энергетического института в составе:

Зуев Эдуард Николаевич – к.т.н., профессор, редактировал все разделы, разрабатывал часть темы 3.

Карташев Илья Ильич – к.т.н., ведущий научный сотрудник, разрабатывал тему 5.

Саленик Дмитрий Вячеславович – старший преподаватель, разрабатывал часть темы 3.

Тульский Владимир Николаевич – к.т.н., доцент, редактировал все разделы, непосредственно разрабатывал темы 1, 2, часть темы 3, часть темы 5, 6.

Шведов Галактион Владимирович – к.т.н., доцент, разрабатывал тему 4.

Коллектив авторов благодарит Сергея Вячеславовича Белоусова за ценные предложения при подготовке учебного комплекса и Яна Абрамовича Шнейберга за помощь при разработке раздела посвященного истории развития электротехники и электроэнергетики.

Отдельная благодарность студентам старших курсов Ринату Насырову и Максиму Симуткину за помощь в подготовке иллюстраций и оформление теоретического материала.

Все рекомендации и предложения по дальнейшему развитию данного пособия просьба направлять на e-mail: [email protected].

ТЕМА 1. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

Время самостоятельной работы – 2 часа.

Развитие электротехники и электроэнергетики можно условно разделить на три этапа. На первом этапе древние философы просто наблюдали за проявлениями электрических и магнитных явлений в природе, объясняя их божественными силами, наличием в предметах особой «души» или «эфира». На втором этапе ученые стали изучать электрические и магнитные явления, целенаправленно проводя специальные эксперименты, создавая первые устройства, позволяющие количественно оценить электромагнитные силы. На третьем этапе уже появляются практически пригодные источники и приемники электроэнергии, что позволило приступить к полномасштабной электрификации промышленности, транспорта и быта.

Если сравнить эти три этапа по длительности, то можно увидеть, что первый этап охватывает более 2000 лет, второй этап 300 – 400 лет, а последний – чуть более 100 лет. В конце XIX – начале XX века сформировались основные принципы организации электроэнергетического производства, в сферах генерации, передачи и распределения электроэнергии, которые дошли до нашего времени без существенных изменений.

Рис. 1.1 Фалес из Милета

Первое дошедшее до нас упоминание об электрических явлениях, относится приблизительно к 600 году до нашей эры. Древнегреческий ученый Фалес из Милета(640—550 гг. до нашей эры) в своих работах впервые упоминает свойство натертого янтаря притягивать небольшие пылинки и кусочки ткани. Интересно, что древние греки называли янтарь словом «электрон» (elektron) и именно от этого названия в дальнейшем произошло слово «электричество». Жители морских побережий, сталкиваясь с электрическим скатами и угрями, объясняли болезненные ощущения особым ядом, выделяемым такими рыбами. Наблюдая за молниями, сопровождаемыми громом, древние люди могли объяснить их лишь как проявление божественных сил.

Способность природного магнитного железняка притягивать железные предметы упоминается в работах древних ученых различных стран. При этом так же, как и в случае с янтарем, эти явления объяснялись истечением некоторого эфира – особой жидкости.

Многие ученые пытались объяснить наблюдаемые явления, но наиболее обобщающей можно считать работу английского естествоиспытателя Вильяма Гилберта (1544 – 1603), служившего лейб-медиком королевы Елизаветы Тюдор.

Рис. 1.2 Вильям Гилберт

В его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле», опубликованном в 1600 году, объясняется действие магнитного компаса и описываются более 600 экспериментов с наэлектризованными трением телами. Проведя опыты с различными материалами, Гильберт показал, что электрическими свойствами обладает не только янтарь, но и другие вещества – сера, смола, горный хрусталь. Причем он правильно установил, что «степень электрической силы» бывает различной. В качестве средства измерения этой силы ученый использовал себя или своих помощников, описывая, насколько болезненные ощущения испытывает человек, прикасаясь к наэлектризованному телу – других «измерительных приборов» в то время не существовало.

Сочинение Гильберта выдержало несколько переизданий и послужило толчком для дальнейшего изучения электрических и магнитных явлений.

Рис. 1.3 Отто фон Герике и его электростатическая машина

Так в 1659 году магдебургский бургомистрОтто фон Герике (1602 – 1686) изготовил первую электростатическую машину. Она представляла собой шар из серы, насаженный на железную ось и укрепленный на деревянном штативе. При помощи ручки шар мог вращаться и натираться ладонями рук или куском сукна, прижимаемого к шару рукой. Во время экспериментов изобретателю удалось заметить слабое свечение электризуемого шара в темноте.

Дальнейшее развитие электростатических машин пошло по пути увеличения размеров и подбора материалов. Так серный шар заменяют стеклянным диском, появляется накопитель электрических зарядов «кондуктор», который представлял собой металлическую трубку, подвешенную на шелковых нитях, а позднее она устанавливалась на изолирующих опорах. Все эти изменения позволили накапливать электрические заряды большой силы и даже получать электрические искры. Вы можете столкнуться с подобным явлением, если в темноте потрете синтетическую ткань – при этом можно будет наблюдать искры и характерный треск.

Именно опыты с электростатической машиной позволили английскому ученому Стефану Грею (1670-1736) установить, что все тела можно разделить на проводники (металлические проволоки) и непроводники (шелковые нити, стеклянные подставки).

Рис. 1.4 Опыт передачи электрического заряда на расстояние

В 1729 году он публично продемонстрировал опыт, показывающий, что «электрическая способность натертой стеклянной трубки притягивать легкие тела может быть передана другим телам». В качестве проводника статического электричества использовалась мокрая пеньковая веревка, а в качестве изолятора – шелковая нить.

Протяженность такой «линии электропередачи» составила примерно 245 метров. Позднее, когда пеньковая веревка была заменена на металлический провод, протяженность линии превысила 1,5 км.

Известно, что изучение какого-либо явления должно сопровождать его количественной оценкой. В связи с этим нельзя не отметить вклад в развитие науки об электричестве петербургского академика Георга Вильгельма Рихмана (1711 – 1753). Он был одним из первых ученых, который создал измерительный прибор для определения интенсивности электрических зарядов, названый им «электрическим указателем».

С появлением электростатической машины ученых заинтересовал вопрос о возможности накопления электростатического заряда. Так голландский профессор из г. Лейдена Питер Мюсхенбрук (Мушенбрук) в 1745 г. взял стеклянную банку (колбу), наполненную водой, опустил в неё медную проволоку, висевшую на кондукторе электростатической машины, и попросил своего помощника вращать шар машины.

Рис.1.5 Питер Мюсхенбрук и опыт накопления электростатического заряда

При этом он предположил, что заряды, будут накапливаться в стеклянной банке. После того, как, по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил отсоединить медную проволоку. При этом ощутил сильный удар. Так появился «электрический конденсатор» - устройство, накапливающее заряд электрической энергии, который до сих пор остается одним из важнейших электротехнических элементов.

На следующем примере очень хорошо видно, насколько случай играет важную роль в открытии новых явлений и развитии науки и техники.

Рис. 1.6 Луиджи Гальвани

В 1791 году итальянский физиолог Луиджи Гальвани (1737–1798) публикует трактат «О силах электричества при мышечном движении». Изучая анатомию лягушек, ученый использовал инструменты, выполненные из различных металлов. При этом он заметил, что при одновременно соприкосновении бедного крючка, железной дощечки и лапки лягушки, последние заметно вздрагивали. Гальвани объяснил это необычное явление существованием некоего «животного электричества».

Раскрыть природу открытого Гальвани явления удалось итальянскому физику Алессандро Вольта (1745–1827). Вначале он вообще не поверил Гальвани, но, повторив его опыты, убедился в том, что явление действительно существует. Однако исследователь смог правильно объяснить, что электричество возникает при контакте разных металлов, а лягушка – это только чувствительный прибор.

Рис. 1.7. Вольтов столб (фотография представлена Политехническим музеем)

Опытным путем Вольта расположил металлы в ряд таким образом, что, чем дальше друг от друга отстоят они в этом ряду, тем более сильный эффект производят. В настоящее время этот ряд называется рядом электродных потенциалов: Li...Mg...Zn...Fe...Sn...H...Cu...Ag...Au. В память о Гальвани, умершем в 1798, Вольта назвал свои элементы гальваническими. До сих пор мы используем это изобретение в повседневной жизни в виде батарей и аккумуляторов в фонариках, телефонах, часах, автомобилях и т.д.

В отличие от электростатических машин, где ученые могли наблюдать только разряды электричества, гальванический элемент представлял собой устройство, дающее постоянный ток. Это изобретение позволило сделать следующий большой шаг в развитии электротехники. Так русский ученый Василий Владимирович Петров (1761 – 1834) в 1802 году создал батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых пластин. Вся батарея была составлена из четырех рядов, каждый длиной около 3 м, соединенных последовательно медными скобками. Теоретически такая батарея может давать напряжение до 2500 Вольт. С помощью этой гигантской батареи Петров провел множество опытов: он разлагал различные вещества, в том числе органические, а также оксиды металлов – ртути, свинца и олова. В 1803 году В.В. Петров впервые в мире получил электрическую дугу и указал на возможность ее практического применения: например, с ее помощью ему удалось расплавить металлы, ярко освещать большие помещения.

Как часто бывает в истории открытий и изобретений, дальнейшее практическое применение электричество получило в военном деле. Здесь одну из главных ролей сыграл выдающийся дипломат, востоковед и изобретатель Павел Львович Шиллинг (1786 – 1837). В 1812 году на реке Неве он производит взрыв подводной мины. Его изобретение состояло из небольшой гальванической батареи, кабельной линии электропередачи и бомбы, у которой в качестве детонатора использовались угольные электроды. Интересно, что изобретение кабельной линии не являлось основной целью, но принципы и материалы, использовавшиеся при этом Шиллингом, применяются до сих пор. В качестве проводника электрического тока он взял медную проволоку. Любопытно, что необходимую площадь поперечного сечения этих проводников ученый нашел опытным путем. Первые попытки с использованием слишком тонкой проволоки не увенчались успехом, поскольку проволока перегорала. Далее проволоки покрывались изоляцией из шелковой и пеньковой нити, пропитываемых смолистым составом. В качестве смолистого состава использовался озокерит – природный углеводород, который до сих пор применяется в кабельной промышленности.Из изолированных таким образом проволок сплетался двухпроводный шнур, соединявший батарею П.Л. Шиллинга (вольтов столб) с запалом. В дальнейшем он использовал такие кабели для создания первых телеграфных линий.

В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей (1791 – 1867) сделал открытие, без которого нельзя представить современную электроэнергетику. Десять лет он искал способ превратить магнетизм в электричество. И вот один из тысячи экспериментов увенчался успехом. Суть эксперимента состояла в следующем (рис. 1.8. а): на деревянный или картонный цилиндр (1) наматывалась медная проволока (2), а между ее витками была намотана вторая проволока (3), изолированная хлопчатобумажной нитью. Неизолированная проволока соединялась с гальванической батареей (4), вторая – с устройством, реагирующим на протекание тока в проводнике – гальванометром (6). При замыкании и размыкании цепи (2) выключателем (5) стрелка гальванометра отклонялась, то есть в изолированной проволоке возникал ток. Проведя еще серии экспериментов, Фарадей показал, что аналогичное явление наблюдается, если обычный магнит (7) быстро протолкнуть внутри одной катушки, намотанной из медной проволоки (рис. 1.8. б). Это явление в дальнейшем получило название электромагнитной индукции.

а	б
Рис. 1.8 Опыты М. Фарадея

В 1834 году Борис Семенович Якόби (1801 – 1874) сконструировал первый практически пригодный электродвигатель – устройство, которое превращает электрическую энергию в механическую. Немец по происхождению (настоящее имя Мориц Герман), он по приглашению приехал в Россию, где проработал до конца жизни.

Рис.1.9 Двигатель Якоби (фотография представлена Политехническим музеем)

Первый электродвигатель работал по принципу притяжения и отталкивания электромагнитов: четыре пары располагались на неподвижной деревянной раме, а четыре – на подвижной, закрепленной на стальной оси. Источником питания электродвигателя служила батарея гальванических элементов.

Интересным элементом этого двигателя (рис. 1.9) являлся коммутатор, который позволял изменять полярности подвижных электромагнитов. За один оборот полярность менялась восемь раз, и они поочередно притягивались и отталкивались.

Дальнейшие усовершенствования позволили Якоби создать электродвигатель, который был установлен на катер, способный двигаться по реке Неве со скоростью 2 км/час против течения, брать на борт 12 человек и работать в течение нескольких часов. Стоит отметить, что создание электродвигателя позволило вскоре создать и первый генератор электрической энергии – устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

Как только была открыта возможность возникновения электрической дуги, многие ученые занялись созданием электрических источников света – дуговых ламп.

Рис.1.10 Электрическая свеча Яблочкова (фотография представлена Политехническим музеем)

Среди российских ученых, работавших в этой области, наибольший вклад внесли Павел Николаевич Яблочков (1847 – 1894) и Александр Николаевич Лодыгин(1847 – 1923). В 1876 году Яблочков создает свою знаменитую «свечу». В отличие от ранних дуговых ламп, он располагает угольные стержни не навстречу друг другу, а параллельно, разделив их для изоляции каолиновой прокладкой. Время горения одной свечи около 2 часов. Реализовывать на практике свое изобретение Павлу Николаевичу пришлось в Париже.

Дело в том, что незадолго до этого открытия компания, владельцем которой он был, разорилась, и ему пришлось скрываться от кредиторов за границей в Париже. Развивая свое изобретение, П.Н. Яблочков приходит к мысли о том, что питать дуговую лампу лучше переменным током, а вырабатывать электричество целесообразно на «электрических заводах». Триумфальное шествие «Русского света» в Европе позволило Яблочкову заработать достаточно денег, чтобы расплатиться с кредиторами. Он выкупает права на свое изобретение у французских коллег и возвращается в Россию с огромным желанием быть полезным на Родине. Однако не получая заказов, он вскоре стал испытывать материальные затруднения, что негативно сказалось на его здоровье. В 1894 году он умер в возрасте 46 лет.

Рис.1.11 Лампа накаливания А.Н. Лодыгина (фотография представлена Политехническим музеем)

В 1874 году Александр Николаевич Лодыгин патентует изобретение лампы накаливания, в котором нить была изготовлена из тугоплавкого металла – вольфрама. Дело в том, что он вел разработку «электролёта» – аппарата, в основе которого был аэростат, а управление движением должно было осуществляться электродвигателями. Применение дуговой лампы в таком устройстве было небезопасным, поэтому ему «пришлось придумать» лампу накаливания. Позднее, в 1906 году, он продает свой патент американской компании «Дженерал электрик». Так же, как и П.Н. Яблочков, Александр Николаевич всю жизнь стремился быть полезным в России, но, не получая необходимой поддержки, был вынужден уехать в Соединенные Штаты.

Таким образом, к концу XIX века в распоряжении инженеров были все элементы, необходимые для создания простейшей электрической сети: источники электрической энергии (генераторы, гальванические элементы), линии электропередачи, трансформаторы, приемники электрической энергии (источники света и двигатели). Все это позволило Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому (1861 – 1919) в 1891 г. Осуществить первую протяженную передачу энергии от гидроэлектростанции «Лауфен» на реке Некар (приток Майна) во Франкфурт на Майне, длиной 170 км.

Рис.1.12 Трансформатор М.О. Доливо-Добровольского (фотография представлена Политехническим музеем)

Помимо линии в её состав входили: • гидравлическая турбина, приводившая в действие генератор трехфазного переменного тока; • повышающий и понижающий трансформаторы; • источники освещения и электрический двигатель, приводивший во вращение водяной насос. На выставке имитировался водопад на реке Некар, приводивший во вращение гидротурбину. Предложенная система обладала таким высоким коэффициентом полезного действия, что используемые в ней технические решения используются до сих пор, а 1891 год считают годом начала эры передачи элеткроэнергии на дальние расстояния.

Говоря об истории электрификации в России, нельзя не упомянуть 1913 год, когда в районе Пятигорска впервые были запущены на параллельную работу две разнотипные электрические станции, находящиеся на расстоянии друг от друга.

Одна из них – гидроэлектростанция «Белый уголь» на реке Подкумок работала с 1903 года, снабжая электрической энергией курортные города этого района. Но снижение уровня воды в зимний период приводило к дефициту электроэнергии. В качестве решения данной проблемы в 1913 году в Пятигорске была введена в действие дизельная электростанция. Обе станции выдавали электроэнергию в одну сеть.

Рис. 1.12 Современный вид машинного зала гидроэлектростанции «Белый уголь»

Объединение электростанций дало ряд технических и экономических преимуществ:

• унификацию частоты и напряжения, а, следовательно, унификацию параметров приемников электрической энергии;

• уменьшение потребности в резервных мощностях отдельных станций, возможность ремонта оборудования без отключения потребителей;

• возможность перераспределения нагрузки между гидро-, тепловыми электростанциями.

Так родилась первая энергосистема – совокупность взаимосвязанных элементов, предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

Известные события 1917 года коренным образом изменили политический строй в России. Стоит отметить, что в далеком 1913 году императорская Россия на душу населения производила электроэнергии в 60 раз меньше, чем США, и в 10 раз меньше, чем Германия. Можно утверждать, что именно электрификация дала возможность превратить Россию из аграрного государства в промышленно развитую страну. В 1921 году Совет народных комиссаров принимает Декрет об утверждении плана ГОЭЛРО (Государственный план электрификации России). Планом предусматривается построить в течение 10–15 лет 30 новых электростанций общей мощностью 1,75 млн. кВт, достичь выработки в 8,8 млрд. кВт·ч в год, построить линии 35 и 110 кВ для передачи мощности к узлам нагрузки и соединения электростанций на параллельную работу. Зарубежные эксперты, ознакомившись с планами молодой республики, давали заключение – утопия. Тем не менее, этот план был полностью реализован к 1931 году.

Какой ценой были получены эти результаты, понятно, если взглянуть на архивные видеозаписи строительства электростанций. Примитивные орудия труда – лопаты, тачки, деревянные краны. Отдельно стоит отметить, что управление строительством осуществлялось органами НКВД. В связи, с чем по оценке историков на примере строительства каскада Волжских электростанций появляется страшная цифра – сорок человеческих жизней на каждую тысячу кВт мощности станции. Реализация плана ГОЭЛРО и дальнейшее развитие электроэнергетики позволило уже к 1935 году занять второе место в Европе и третье место в мире по мощности электростанций.

Принципы формирования Единой электроэнергетической системы, которые были заложены при реализации плана ГОЭЛРО, показали свою эффективность в течение последующих лет. До сих пор в электроэнергетике применяются решения в проектировании, эксплуатации и техническом управлении, полученные в те годы.

Дальнейшее развитие электроэнергетики и электротехники шло по пути увеличения мощностей станций, напряжения и протяженности линий электропередачи, появления новых материалов. Что представляет электроэнергетическая система на сегодняшний день, какие задачи приходится решать специалистам технических служб, будет рассмотрено в следующих темах.

 

Используемая литература:

1. История электротехники/ Под ред. И.А. Глебова. – М.: Издательство МЭИ, 1999. – 524 с.

2. Я.А. Шнейберг История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника). – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 118 с.

3. О.Н. Веселовский Доливо-Добровольский. – М.: Издательство Академии наук СССР, 1963. – 88 с.

4. Белькинд Л.Д. Павел Николаевич Яблочков. – М.: Госэнергоиздат, 1950.

5. Белькинд Л.Д. Александр Николаевич Лодыгин. – М.: Госэнергоиздат, 1948.

6. Яроцкий А.В. Борис Семенович Якоби. – М.: Наука, 1988.

7. Заключенные на стройках коммунизма. ГУЛАГ и объекты энергетики в СССР. Собрание документов и фотографий. — М.: Российская политическая энциклопедия (РОССПЭН), 2008. — 448 с.