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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Trasmissione di energia elettrica su lunghe distanze. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Una linea di trasmissione di potenza (PTL) è uno dei componenti della rete elettrica, un sistema di apparecchiature energetiche progettato per trasmettere elettricità attraverso corrente elettrica. Anche una linea elettrica come parte di un tale sistema che si estende oltre la centrale elettrica o la sottostazione.
Nell'ultimo terzo del XNUMX° secolo, il problema energetico divenne molto acuto in molti grandi centri industriali d'Europa e d'America. Gli edifici residenziali, i trasporti, le fabbriche e le officine richiedevano sempre più carburante, che doveva essere portato da lontano, per cui il prezzo era in costante aumento. A questo proposito, qua e là hanno cominciato a rivolgersi all'energia idroelettrica dei fiumi, che è molto più economica e accessibile. Allo stesso tempo, l'interesse per l'energia elettrica cresceva ovunque. È noto da tempo che questo tipo di energia è estremamente conveniente: l'elettricità è facilmente generabile e altrettanto facilmente convertibile in altri tipi di energia, facilmente trasmessa a distanza, fornita e frantumata. Le prime centrali elettriche erano solitamente un generatore elettrico collegato a un motore a vapore oa una turbina, e avevano lo scopo di fornire elettricità a singoli oggetti (ad esempio un'officina o una casa, in casi estremi un quartiere). Dalla metà degli anni '80 iniziarono a essere costruite centrali elettriche nel centro della città, che fornivano corrente principalmente per l'illuminazione. (La prima centrale di questo tipo fu costruita nel 1882 a New York sotto la direzione di Edison.) La corrente era generata da potenti motori a vapore. Ma all'inizio degli anni '90 divenne chiaro che il problema energetico non poteva essere risolto in questo modo, poiché la potenza delle stazioni centrali situate nella parte centrale della città non poteva essere molto grande. Hanno usato lo stesso carbone e petrolio, cioè non hanno rimosso il problema della consegna del carburante. Era più economico e più pratico costruire centrali elettriche in luoghi con risorse idriche e combustibili a basso costo. Ma, di regola, le aree in cui era possibile ottenere elettricità a basso costo in grandi quantità venivano rimosse dai centri industriali e dalle grandi città di decine e centinaia di chilometri. Pertanto, è sorto un altro problema: la trasmissione di elettricità su lunghe distanze. I primi esperimenti in quest'area risalgono agli inizi degli anni '70 del XIX secolo, quando utilizzavano principalmente la corrente continua. Hanno dimostrato che non appena la lunghezza del cavo di collegamento tra il generatore di corrente e il motore che consuma questa corrente ha superato diverse centinaia di metri, si è avvertita una significativa riduzione della potenza nel motore a causa delle grandi perdite di energia nel cavo. Questo fenomeno è facile da spiegare se ricordiamo l'effetto termico della corrente. Passando attraverso il cavo, la corrente lo riscalda. Queste perdite sono maggiori, maggiore è la resistenza del filo e la forza della corrente che lo attraversa. (La quantità di calore rilasciata Q è facile da calcolare. La formula è simile a: Q=RI2, dove I è l'intensità della corrente che passa, R è la resistenza del cavo. Ovviamente la resistenza del filo è maggiore, maggiore è la sua lunghezza e minore è la sua sezione. Se in questa formula prendiamo I=P/U, dove P è la potenza della linea e U è la tensione attuale, allora la formula assumerà la forma Q=RP2/U2. Da ciò si può vedere che le perdite di calore saranno minori, maggiore è la tensione.) C'erano solo due modi per ridurre le perdite nella linea elettrica: aumentare la sezione trasversale del cavo di trasmissione o aumentare la tensione. Tuttavia, un aumento della sezione del filo ne aumentava notevolmente il costo, poiché come conduttore veniva quindi utilizzato rame piuttosto costoso. Molte più vittorie promesse nel secondo modo. Nel 1882, sotto la guida del famoso ingegnere elettrico francese Despres, fu costruito il primo elettrodotto in corrente continua da Miesbach a Monaco di Baviera, lungo 57 km. L'energia del generatore è stata trasferita a un motore elettrico che azionava la pompa. In questo caso, le perdite nel filo hanno raggiunto il 75%. Nel 1885 Despres effettuò un altro esperimento, effettuando una trasmissione di potenza tra Creil e Parigi su una distanza di 56 km. In questo caso è stata utilizzata un'alta tensione, raggiungendo i 6mila volt. Le perdite sono diminuite al 55%. Era ovvio che aumentando la tensione fosse possibile aumentare notevolmente l'efficienza della linea, ma per questo era necessario costruire generatori di corrente continua ad alta tensione, che erano associati a grandi difficoltà tecniche. Anche con questa tensione relativamente bassa, Despres ha dovuto riparare costantemente il suo generatore, nei cui avvolgimenti si verificava di tanto in tanto un guasto. Non si poteva invece utilizzare una corrente ad alta tensione, poiché in pratica (e principalmente per esigenze di illuminazione) era necessaria una tensione molto piccola, circa 100 volt. Per abbassare la tensione continua, era necessario costruire un complesso sistema di convertitori: la corrente ad alta tensione azionava il motore, che a sua volta faceva ruotare il generatore, che forniva una corrente di tensione inferiore. Allo stesso tempo, le perdite sono aumentate ancora di più e l'idea stessa di trasmettere elettricità è diventata economicamente non redditizia. La corrente alternata sembrava più conveniente in termini di trasmissione, se non altro perché poteva essere facilmente trasformata, cioè la sua tensione poteva essere aumentata e poi diminuita su un range molto ampio. Nel 1884, alla mostra di Torino, Golyar effettuò la trasmissione di potenza su una distanza di 40 km, portando la tensione nella linea a 2mila volt con l'ausilio del suo trasformatore. Questa esperienza ha dato buoni risultati, ma non ha portato a uno sviluppo diffuso dell'elettrificazione, poiché, come già accennato, i motori CA monofase erano sotto tutti gli aspetti inferiori ai motori CC e non avevano distribuzione. Pertanto, non era redditizio trasmettere corrente alternata monofase su lunghe distanze. Negli anni successivi furono sviluppati due sistemi di correnti multifase: il bifase di Tesla e il trifase di Dolivo-Dobrovolsky. Ognuno di loro rivendicava una posizione dominante nell'ingegneria elettrica. Da che parte dovrebbe andare l'elettrificazione? All'inizio, nessuno conosceva la risposta esatta a questa domanda. In tutti i paesi c'è stata una vivace discussione sui vantaggi e gli svantaggi di ciascuno dei sistemi di correnti. Tutti loro avevano i loro ardenti sostenitori e feroci oppositori. Una certa chiarezza su questo problema è stata raggiunta solo nel decennio successivo, quando è stata fatta una svolta significativa nell'elettrificazione. L'Esposizione Internazionale di Francoforte del 1891 ha svolto un ruolo enorme in questo. Alla fine degli anni '80 si poneva la questione della costruzione di una centrale elettrica a Francoforte sul Meno. Molte aziende tedesche e straniere hanno offerto alle autorità cittadine varie opzioni per progetti che prevedevano l'uso di corrente continua o alternata. Il sindaco di Francoforte era chiaramente in una posizione difficile: non poteva fare una scelta dove anche molti specialisti non potevano farlo. Per chiarire la questione controversa, è stato deciso di organizzare a Francoforte un'esposizione elettrica internazionale a lungo programmata. Il suo obiettivo principale era quello di essere una dimostrazione della trasmissione e distribuzione di energia elettrica in vari sistemi e applicazioni. Qualsiasi azienda poteva dimostrare il suo successo a questa mostra e una commissione internazionale dei più autorevoli scienziati ha dovuto sottoporre tutte le mostre a uno studio approfondito e rispondere alla domanda sulla scelta del tipo di corrente. All'inizio della mostra, varie aziende hanno dovuto costruire le loro linee di trasmissione di energia e alcune avrebbero dimostrato la trasmissione di corrente continua, altre - corrente alternata (sia monofase che multifase). Alla società AEG è stato chiesto di effettuare la trasmissione di energia elettrica dalla città di Laufen a Francoforte su una distanza di 170 km. A quel tempo era una distanza enorme e molti consideravano l'idea stessa fantastica. Tuttavia, Dolivo-Dobrovolsky era così sicuro del sistema e delle possibilità della corrente trifase che convinse il regista Rothenau ad accettare l'esperimento. Quando sono apparsi i primi rapporti sul progetto di trasmissione di potenza Laufen-Francoforte, gli ingegneri elettrici di tutto il mondo sono stati divisi in due campi. Alcuni hanno accolto con entusiasmo questa decisione coraggiosa, altri l'hanno trattata come una pubblicità rumorosa ma infondata. Sono state calcolate le possibili perdite di energia. Alcuni credevano che sarebbero stati del 95%, ma anche i più grandi ottimisti non credevano che l'efficienza di una tale linea avrebbe superato il 15%. Le autorità più famose nel campo dell'ingegneria elettrica, tra cui il famoso Despres, hanno espresso dubbi sulla fattibilità economica di questa impresa. Tuttavia, Dolivo-Dobrovolsky è riuscita a convincere la direzione dell'azienda della necessità di accettare il lavoro offerto. Poiché mancava poco tempo prima dell'apertura della mostra, la costruzione dell'elettrodotto è avvenuta in grande fretta. Per sei mesi, Dolivo-Dobrovolsky ha dovuto progettare e costruire un motore asincrono da 100 CV di potenza senza precedenti. e quattro trasformatori per 150 kilowatt, nonostante la potenza massima dei trasformatori monofase fosse allora di soli 30 kilowatt. Non si poteva parlare di progetti sperimentali: semplicemente non c'era abbastanza tempo per questo. Anche il motore e i trasformatori costruiti non potevano essere testati nello stabilimento, poiché a Berlino non esisteva un generatore trifase di potenza adeguata (il generatore per la stazione di Laufen fu costruito a Erlikson). Di conseguenza, tutti gli elementi della trasmissione di potenza dovevano essere attivati direttamente in fiera alla presenza di molti scienziati, rappresentanti di aziende concorrenti e innumerevoli corrispondenti. Il minimo errore sarebbe imperdonabile. Inoltre, tutta la responsabilità dei lavori di progettazione e installazione durante la costruzione di linee elettriche è caduta sulle spalle di Dolivo-Dobrovolsky. In realtà, la responsabilità era ancora maggiore: dopotutto, la questione era decisa non solo sulla carriera di Dolivo-Dobrovolsky e sul prestigio dell'AEG, ma anche su quale percorso avrebbe preso lo sviluppo dell'ingegneria elettrica. Dolivo-Dobrovolsky capì perfettamente l'importanza del compito prima di lui e scrisse in seguito: "Se non volevo portare una vergogna indelebile sulla mia corrente trifase e sottoporla a sfiducia, che difficilmente sarebbe in grado di dissiparsi rapidamente in seguito, ero obbligato ad assumere questo compito e risolverlo, altrimenti gli esperimenti di Laufen-Francoforte e molto altro che sarebbe stato sviluppato in seguito sulla loro base avrebbero seguito la strada dell'utilizzo di una corrente monofase. In breve tempo a Laufen fu costruita una piccola centrale idroelettrica. Turbina da 300 cv ha messo in rotazione un generatore di corrente trifase, progettato e realizzato, come già accennato, nello stabilimento di Erlikson. Dal generatore tre fili di rame di grosso spessore portavano al quadro elettrico. Qui sono stati installati amperometri, voltmetri, fusibili al piombo e relè termici. Dal quadro, tre cavi sono andati a tre trasformatori trifase di tipo "prismatico". Gli avvolgimenti di tutti i trasformatori erano collegati a stella. Avrebbe dovuto condurre la trasmissione di potenza a una tensione di 15 mila volt, ma tutti i calcoli sono stati effettuati per lavorare a 25 mila volt. Per ottenere una tensione così alta, si prevedeva di includere due trasformatori a ciascuna estremità della linea, in modo che i loro avvolgimenti di bassa tensione fossero collegati in parallelo e gli avvolgimenti di tensione più alta fossero collegati in serie. Dai trasformatori di Laufen partiva una linea a tre fili, sospesa su 3182 pali di legno alti 8 e 10 m con una campata media di 60 m, non c'erano interruttori sulla linea. Per spegnere rapidamente la corrente se necessario, sono stati forniti due dispositivi originali. Nei pressi della centrale idroelettrica di Laufen sono stati installati due supporti a una distanza di 2 m l'uno dall'altro. Qui, un inserto fusibile, costituito da due fili di rame con un diametro di 5 mm, è stato incluso nella rottura di ciascun filo della linea. A Francoforte e nei pressi delle stazioni ferroviarie (parte della linea correva lungo il binario) sono state installate le cosiddette chiusure d'angolo. Ciascuno di essi era una sbarra di metallo sospesa da una corda su un supporto a forma di L. È bastato tirare il cavo e il raggio è caduto su tutti e tre i fili, creando un cortocircuito artificiale, che ha causato la bruciatura dei fusibili a Laufen e la diseccitazione dell'intera linea. A Francoforte, i cavi sono andati a trasformatori step-down (erano in mostra in un padiglione speciale), che hanno ridotto la tensione di uscita a 116 volt. Uno di questi trasformatori era collegato a 1000 lampade a incandescenza da 16 candele (55 watt) ciascuna, all'altro: un grande motore Dolivo-Dobrovolsky trifase, situato in un altro padiglione. La tensione di linea del generatore a Laufen era di 95 volt. Il trasformatore elevatore aveva un rapporto di trasformazione di 154. Pertanto, la tensione operativa nella linea elettrica era di 14650 volt (95 × 154). Per quel tempo era un voltaggio molto alto. I governi delle terre attraversate dall'elettrodotto erano allarmati dalla sua costruzione. Alcuni avevano una sensazione di paura anche davanti ai pali di legno, sui quali erano fissate tavolette con teschi. Particolarmente preoccupante è stata la possibilità di rottura di un filo e la sua caduta sui binari della ferrovia. Il comitato dell'esposizione e i costruttori della linea hanno dovuto svolgere molto lavoro esplicativo per convincere i funzionari governativi che tutti i possibili pericoli erano previsti e che la linea era protetta in modo affidabile. L'amministrazione di Baden non consentiva ancora di collegare il tratto della linea già completata al confine con il Baden. Per rimuovere gli ultimi ostacoli e dissipare i dubbi delle autorità locali, Dolivo-Dobrovolsky ha condotto un esperimento pericoloso ma molto convincente. Quando la linea è stata alimentata per la prima volta, uno dei cavi al confine tra Baden e Assia è stato tagliato artificialmente ed è caduto sui binari della ferrovia con un lampo luminoso. Dolivo-Dobrovolsky si è subito avvicinato e ha raccolto il filo a mani nude: era così sicuro che la protezione che aveva progettato avrebbe funzionato. Questo "metodo" di prova si è rivelato molto illustrativo e ha rimosso l'ultimo ostacolo prima di testare la linea. Il 25 agosto 1891, alle 12, 1000 lampade elettriche, alimentate dalla corrente della centrale idroelettrica di Laufen, lampeggiarono per la prima volta alla mostra. Queste lampade incorniciavano gli scudi e l'arco sopra l'ingresso di quella parte della mostra, i cui reperti appartenevano alla linea di trasmissione Laufen-Francoforte. Il giorno successivo è stato testato con successo un motore da 75 kilowatt, che ha alimentato per la prima volta una cascata di dieci metri il 12 settembre. Nonostante la linea, le macchine, i trasformatori, i quadri siano stati realizzati in fretta (alcuni dettagli, secondo Dolivo-Dobrovolsky, sono stati pensati in appena un'ora), l'intera installazione è stata accesa senza test preliminari, con sorpresa di alcuni e per la gioia di altri, cominciarono subito a lavorare bene. La cascata ha impressionato in modo speciale i visitatori della mostra. Tuttavia, le persone più esperte in materia di fisica e ingegneria elettrica si sono rallegrate quel giorno non davanti a un'enorme cascata scintillante di migliaia di schizzi di vetro, illuminata da dozzine di lampade multicolori. La loro gioia era collegata alla consapevolezza che questa bellissima cascata artificiale era alimentata da una sorgente situata a 170 km di distanza sul fiume Neckar vicino alla città di Laufen. Hanno visto davanti a loro una brillante soluzione al problema della trasmissione di potenza su lunghe distanze. In ottobre, una commissione internazionale ha iniziato a testare la linea di trasmissione Laufen-Francoforte. È stato riscontrato che le perdite di trasmissione erano solo del 25%, una cifra molto buona. A novembre, la linea è stata testata a 25 volt. Allo stesso tempo, la sua efficienza è aumentata e le perdite sono diminuite al 21%. La stragrande maggioranza degli elettricisti di tutto il mondo (più di un milione di persone hanno visitato la mostra) ha apprezzato il significato dell'esperimento Laufen-Francoforte. La corrente trifase ha ricevuto una valutazione molto elevata e d'ora in poi le è stato aperto il percorso più ampio verso l'industria. Dolivo-Dobrovolsky divenne immediatamente uno dei principali ingegneri elettrici del mondo e il suo nome divenne famoso in tutto il mondo.
Fu così risolto il principale problema energetico della fine del XIX secolo: il problema della centralizzazione della produzione di elettricità e della sua trasmissione su lunghe distanze. È diventato chiaro a tutti il modo in cui una corrente multifase potrebbe essere portata da una centrale elettrica lontana a ogni singola officina, e quindi a una singola macchina. La conseguenza immediata dell'emergere della tecnologia della corrente multifase fu che negli anni successivi, in tutti i paesi sviluppati, iniziò la rapida costruzione di centrali elettriche e la più ampia elettrificazione dell'industria. È vero, nei primi anni era ancora complicato da una feroce lotta tra aziende concorrenti che cercavano di introdurre l'uno o l'altro tipo di corrente. Così, in America, subentrò per la prima volta la società Westinghouse, che, dopo aver acquistato i brevetti di Tesla, tentò di distribuire una corrente bifase. Il trionfo del sistema bifase fu la costruzione nel 1896 di una potente centrale idroelettrica sulle Cascate del Niagara. Ma la corrente trifase fu presto universalmente riconosciuta come la migliore. In effetti, un sistema bifase richiedeva quattro fili e un sistema trifase solo tre. Oltre a una maggiore semplicità, prometteva notevoli risparmi sui costi. Successivamente, Tesla, seguendo l'esempio di Dolivo-Dobrovolsky, propose di combinare insieme due fili di ritorno. In questo caso si sono aggiunte le correnti e nel terzo filo scorreva una corrente circa 1,4 volte maggiore che negli altri due. Pertanto, la sezione trasversale di questo filo era 1 volte maggiore (senza questo aumento della sezione trasversale, si verificavano sovraccarichi nel circuito). Di conseguenza, i costi per il cablaggio bifase risultavano comunque superiori a quelli trifase, mentre i motori bifase erano sotto tutti gli aspetti inferiori a quelli trifase. Nel 4° secolo, il sistema trifase si è affermato ovunque. Anche la centrale elettrica del Niagara è stata infine convertita in corrente trifase. Autore: Ryzhov KV
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