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技术历史、技术、我们身边的事物
长距离输电。 发明和生产的历史
输电线路（TL）——电网的组成部分之一，是一种旨在通过电流传输电力的电力设备系统。 此外，作为此类系统一部分的电线延伸到发电厂或变电站之外。
在 XNUMX 世纪下半叶，能源问题在欧洲和美国的许多大型工业中心变得非常尖锐。 住宅建筑、交通、工厂和车间需要越来越多的燃料，这些燃料必须从远方运来，结果燃料的价格不断上涨。 在这方面，他们开始转向河流的水力发电，这种水力发电更便宜，更容易获得。 与此同时，各地对电能的兴趣都在增长。 人们早就注意到，这种能源非常方便：电力很容易产生，也很容易转化为其他类型的能源，很容易远距离传输、供应和粉碎。 第一个发电站通常是连接到蒸汽机或涡轮机的发电机，旨在为单个物体（例如，车间或房屋，在极端情况下为四分之一）供电。 从 80 年代中期开始，开始建造中心城市发电站，主要为照明提供电流。 （第一个这样的发电厂于 1882 年在爱迪生的指导下在纽约建造。）电流由强大的蒸汽机产生。 但到了 90 年代初期，能源问题显然无法以这种方式解决，因为位于城市中心的中心站的功率不可能很大。 他们使用的是同一种煤和石油，也就是说，他们没有消除燃料输送的问题。 在燃料和水资源便宜的地方建造发电厂更便宜、更实用。 但是，作为一项规则，可以大量获得廉价电力的地区被远离工业中心和大城市数十公里。 因此，出现了另一个问题——长距离输电。 该领域的第一次实验可以追溯到 70 世纪 XNUMX 年代初期，当时他们主要使用直流电。 他们表明，一旦电流发生器和消耗该电流的电机之间的连接线长度超过数百米，由于电缆中的大量能量损失，电机的功率就会显着降低。 如果我们记住电流的热效应，这种现象很容易解释。 通过电缆，电流将其加热。 这些损耗越大，导线的电阻和通过它的电流的强度就越大。 （放出的热量 Q 很容易计算。 公式为：Q=RI2，其中I为通过电流的强度，R为电缆电阻。 显然，导线的电阻越大，其长度越大，其横截面越小。 如果在这个公式中我们取 I=P/U，其中 P 是线路的功率，U 是当前电压，那么公式将采用 Q=RP2/U2 的形式。 从中可以看出，热损失越小，电压越大。）减少电力线损失的方法只有两种：要么增加传输线的横截面，要么增加电压。 然而，导线横截面的增加大大增加了它的成本，因为当时使用了相当昂贵的铜作为导体。 更多的胜利承诺第二种方式。 1882年，在法国著名电气工程师德斯普雷的领导下，第一条直流输电线路建成，从米斯巴赫到慕尼黑，全长57公里。 来自发电机的能量被转移到为泵提供动力的电动机。 在这种情况下，导线的损耗达到 75%。 1885 年，德普雷进行了另一项实验，在 Creil 和 Paris 之间进行了 56 公里的电力传输。 在这种情况下，使用了高达 6 伏的高压。 损失降至 55%。 很明显，通过提高电压，可以显着提高线路效率，但为此必须建造高压直流发电机，这与技术难度很大。 即使在这个相对较低的电压下，Despres 也不得不不断地修理他的发电机，其绕组不时发生故障。 另一方面，不能使用高压电流，因为在实践中（主要用于照明需要）需要非常小的电压，大约 100 伏。 为了降低直流电压，有必要建立一个复杂的变流器系统：高压电流驱动电机，电机又带动发电机旋转，从而产生较低的电压电流。 与此同时，损失增加得更多，输电的想法在经济上变得无利可图。 交流电在传输方面似乎更方便，如果只是因为它可以很容易地转换，即它的电压可以在很宽的范围内升高然后降低。 1884 年，在都灵展览会上，戈利亚尔进行了 40 公里的电力传输，在他的变压器的帮助下将线路电压提高到 2 伏。 这种经验取得了很好的效果，但并没有导致电气化的广泛发展，因为如前所述，单相交流电机在各方面都不如直流电机，而且没有配电。 因此，远距离传输单相交流电是无利可图的。 在接下来的几年中，开发了两种多相电流系统——特斯拉的两相和 Dolivo-Dobrovolsky 的三相。 他们每个人都声称在电气工程中占据主导地位。 电气化应该走哪条路？ 起初，没有人知道这个问题的确切答案。 在所有国家，人们就每种潮流系统的优缺点进行了热烈的讨论。 他们都有热心的支持者和激烈的反对者。 直到下一个十年，电气化取得重大突破时，这个问题才得到了一些明确。 1891 年的法兰克福国际展览会在这方面发挥了巨大的作用。 在 80 年代末，出现了在美因河畔法兰克福建造中央发电厂的问题。 许多德国和外国公司为市政当局提供了涉及使用直流电或交流电的项目的各种选择。 法兰克福市长显然处于一个困难的境地：他无法做出连许多专家都做不到的选择。 为了澄清这个有争议的问题，决定在法兰克福安排一个计划已久的国际电气展览会。 其主要目标是演示各种系统和应用中电能的传输和分配。 任何一家公司都可以在这次展会上展示自己的成功，一个由最权威的科学家组成的国际委员会必须对所有展品进行深入研究，并回答选择电流类型的问题。 展会开始时，各家公司都在建设自己的输电线路，有的要演示直流电的传输，有的要演示交流电（单相和多相）。 AEG 公司被要求在 170 公里的距离内进行从劳芬镇到法兰克福的电力传输。 当时距离很远，许多人认为这个想法本身就很棒。 然而，Dolivo-Dobrovolsky 对系统和三相电流的可能性非常有信心，他说服了 Rothenau 主管同意这个实验。 当有关劳芬-法兰克福输电项目的第一批报道出现时，世界各地的电气工程师分为两个阵营。 一些人热情地欢迎这个大胆的决定，另一些人则认为这是一个嘈杂但毫无根据的广告。 计算了可能的能量损失。 有些人认为他们会达到 95%，但即使是最大的乐观主义者也不相信这样一条生产线的效率会超过 15%。 电气工程领域最著名的权威，包括著名的 Despres，对这项事业的经济可行性表示怀疑。 然而，Dolivo-Dobrovolsky 成功地说服了公司管理层接受所提供的工作的必要性。 由于距离展会开幕的时间已经不多了，所以电力线的建设非常匆忙。 六个月以来，Dolivo-Dobrovolsky 不得不设计和制造一台功率空前的 100 马力异步电机。 和四台 150 千瓦的变压器，尽管当时单相变压器的最大功率仅为 30 千瓦。 不可能有实验设计的问题：根本没有足够的时间来做这件事。 甚至制造的发动机和变压器也无法在工厂进行测试，因为柏林没有合适功率的三相发电机（劳芬站的发电机是在 Erlikson 建造的）。 因此，在许多科学家、竞争公司的代表和无数通讯员在场的情况下，必须在展览上直接打开电力传输的所有元件。 最轻微的错误将是不可原谅的。 此外，电力线路建设期间的设计和安装工作的所有责任都落在了 Dolivo-Dobrovolsky 的肩上。 实际上，责任更大——毕竟，问题不仅关乎 Dolivo-Dobrovolsky 的职业生涯和 AEG 的声望，还关乎电气工程的发展将走哪条路。 多利沃-多布罗沃尔斯基完全理解摆在他面前的任务的重要性，后来写道：“如果我不想给我的三相电流带来不可磨灭的耻辱，并让它暴露在不信任之下，这种不信任以后很难很快消散，我有义务承担这个任务并解决它。否则，劳芬-法兰克福实验以及后来在此基础上发展的许多实验将沿着使用单相电流的路径进行。 在很短的时间内在劳芬建成了一座小型水电站。 300马力涡轮如前所述，在 Erlikson 的工厂设计和制造了一台三相电流发电机。 从发电机，三根粗铜线通向配电盘。 这里安装了电流表、电压表、引线保险丝和热继电器。 从配电盘，三根电缆连接到三个三相“棱柱”型变压器。 所有变压器的绕组都连接成星形。 它应该在 15 千伏电压下进行电力传输，但所有计算都是在 25 千伏电压下进行的。 为了达到如此高的电压，计划在线路的每一端包括两个变压器，以便它们的低压绕组并联，高压绕组串联。 从劳芬的变压器开始，一条三线线路开始，悬挂在 3182 根 8 米和 10 米高的木杆上，平均跨度为 60 米，线路上没有任何开关。 为了在必要时快速关闭电流，提供了两个原始设备。 在劳芬水电站附近，安装了两个相距 2 m 的支架。 在这里，一根由两根直径为 5 mm 的铜线组成的可熔插件被包含在每根线的间隙中。 在法兰克福和火车站附近（部分线路沿铁路轨道运行），安装了所谓的拐角封闭装置。 它们中的每一个都是一根金属棒，由一根绳索悬挂在一个 L 形支架上。 拉动电源线就足够了，光束落在所有三根电线上，造成人为短路，导致劳芬的保险丝烧毁，整条线路断电。 在法兰克福，电线连接到降压变压器（他们在展览中的一个特殊展馆中），将输出电压降低到 116 伏。 1000 盏白炽灯，每盏 16 支蜡烛（55 瓦）连接到其中一个变压器上，另一台则连接了位于另一个展馆的大型三相 Dolivo-Dobrovolsky 电机。 劳芬发电机的线路电压为 95 伏。 升压变压器的变比为154。因此，电源线的工作电压为14650伏（95×154）。 在那个时候，它是一个非常高的电压。 电力线通过的土地的政府对其建设感到震惊。 有些人甚至在木杆前都感到恐惧，木杆上固定着带有头骨的平板电脑。 特别令人担忧的是电线断裂并掉落到铁轨上的可能性。 展览委员会和线路建设者必须做大量的解释工作，以使政府官员相信所有可能的危险都已预见到，线路得到了可靠的保护。 巴登政府仍然不允许连接巴登边界上已经完成的线路。 为了扫清最后的障碍，打消地方当局的疑虑，多利沃-多布罗沃尔斯基进行了一次危险但非常有说服力的实验。 线路刚通电时，巴登和黑森州交界处的一根电线被人为切断，并在铁轨上发出一道亮光。 Dolivo-Dobrovolsky 立即走上前来，徒手拿起了电线：他确信自己设计的保护装置会起作用。 这种证明的“方法”非常具有说明性，并在测试线路之前消除了最后一个障碍。 25 年 1891 月 12 日中午 1000 点，75 盏电灯，由劳芬水电站的电流供电，在展览会上第一次闪烁。 这些灯构成了展览那部分入口上方的盾牌和拱门，其中的展品属于劳芬-法兰克福输电线路。 次日，12千瓦发动机试车成功，XNUMX月XNUMX日首次为十米瀑布提供动力。 尽管生产线、机器、变压器、配电盘很匆忙（根据 Dolivo-Dobrovolsky 的说法，一些细节是在一个小时内就想出来的），但整个装置在没有进行初步测试的情况下就打开了，令一些和其他人的喜悦，立即开始运作良好。 瀑布给展览的参观者留下了特别的印象。 然而，那些在物理和电气工程方面知识渊博的人在那天感到高兴，而不是看到一个巨大的瀑布，瀑布上闪烁着成千上万的玻璃飞溅，被数十盏彩色灯照亮。 他们的喜悦与了解这个美丽的人工瀑布由位于 170 公里外的劳芬镇附近的内卡河上的泉水提供动力有关。 他们看到了解决长距离电力传输问题的绝妙方案。 25 月，一个国际委员会开始测试劳芬-法兰克福输电线路。 结果发现传输损耗只有25%，这是一个非常好的数字。 21 月，该线路在 XNUMX 伏电压下进行了测试。 同时，它的效率提高了，损耗降低到了 XNUMX%。 来自世界各地的绝大多数电工（超过一百万人参观了展览）都对劳芬-法兰克福实验的意义表示赞赏。 三相电流得到了很高的评价，从此开辟了最宽广的产业化道路。 Dolivo-Dobrovolsky 立即成为世界领先的电气工程师之一，他的名字举世闻名。
因此，解决了 XNUMX 世纪后期的主要能源问题——集中发电和长距离传输的问题。 每个人都清楚如何将多相电流从远处的发电厂输送到每个单独的车间，然后再输送到单独的机器。 多相电流技术出现的直接后果是，在随后的几年中，所有发达国家都开始快速建设发电厂和最广泛的工业电气化。 诚然，在早期，竞争公司之间的激烈斗争仍然使情况变得复杂，试图引入一种或另一种类型的电流。 因此，在美国，西屋公司首先接手，收购了特斯拉的专利，试图分配两相电流。 两相系统的胜利是 1896 年在尼亚加拉大瀑布建造了一座强大的水力发电站。 但是三相电流很快就被普遍认为是最好的。 实际上，两相系统需要四根电线，而三相系统只需三根。 除了更简单之外，它还承诺显着节省成本。 后来，特斯拉效仿 Dolivo-Dobrovolsky 的例子，提出将两条回线组合在一起。 在这种情况下，增加了电流，在第三根导线中流动的电流大约是其他两根导线的 1,4 倍。 因此，该导线的横截面增大了 1 倍（如果不增加横截面，电路中会发生过载）。 结果，两相接线的成本仍然高于三相，而两相电机在各方面都不如三相电机。 4世纪，各地都建立了三相制。 甚至尼亚加拉电站也最终转换为三相电流。 作者：Ryzhov K.V.
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