Електростанції постійного та однофазного змінного струму
У 70-80-х роках ХІХ століття процес виробництва електроенергії ще був відокремлений від процесу її споживання. Електростанції, що забезпечують електроенергією обмежену кількість споживачів, називалися блок-станціями.
У зв'язку з труднощами регулювання системи дугового освітлення спочатку будувалися спеціалізовані блок-станції: одні для дугових ламп; інші для ламп розжарювання.
Розвиток перших електростанцій було з подоланням труднощів як науково-технічного, а й волюнтаристського і кон'юнктурного характеру. Так, міська влада забороняла спорудження повітряних ліній, побоюючись за зовнішній вигляд міста. Газові компанії всіляко наголошували на дійсних і уявних недоліках нового роду освітлення.
На таких блок-станціях як первинні двигуни спочатку застосовували в основному поршневі парові машини (локомобілі), іноді ДВС. Поєднання вироблялося з допомогою ремінних передач, оскільки поршневі двигуни були низькошвидкісні (не більше 200 об/хв). Для регулювання натягу ременя електрогенератори монтувалися на санках.
Вперше блок-станції ("будинкові") були збудовані в Парижі для живлення свічок Яблочкова на вулиці "Opera".
В Україні першою установкою такого роду з'явилася станція для освітлення Ливарного мосту (у Петербурзі), створена в 1879 р. Яблочковим.
Однак ідея централізованого виробництва електроенергії була настільки економічно виправданою та відповідала тенденції концентрації виробництва, що перші такі станції виникли вже в середині 80-х років та швидко витіснили блок-станції.
Вихідні величини напруги перших електростанцій, від яких згодом були вироблені інші, що утворюють відому шкалу напруг, склалися історично.
Справа в тому,що в період виняткового поширення дугового освітлення емпірично було встановлено, що найбільш підходящим для горіння дуги є U = 45 В. Щоб зменшити струми короткого замикання в момент запалення дуги (при зіткненні вугілля) і для більш стійкого горіння дуги, послідовно з лампою дуги включали опір . Також емпірично було знайдено, що величина цього баластного опору має бути такою, щоб падіння напруги на ньому при нормальній роботі становило - 20 В. Таким чином, виходило U = 65, що довго і застосовувалося. Однак часто в один ланцюг включали дві дугові лампи, звідси U = 2 · 45 +20 = 110 В. Ця напруга була прийнята майже повсюдно як стандартна.
Вже під час проектування перших центральних електростанцій зіткнулися з труднощами, які достатньо були подолані протягом усього періоду панування техніки постійного струму.
Радіус електропостачання визначається величиною допустимих втрат напруги в мережі, які для цієї мережі тим менші, що вища напруга. Саме це змушувало будувати електростанції у центральних частинах міста, що суттєво ускладнювало не лише забезпечення водою та паливом, а й подорожчало вартість земельних ділянок для будівництва. Цим, зокрема, пояснюється вигляд Нью-Йоркської електростанції, де обладнання розташовувалося на багатьох поверхах. Аналогічна ситуація була і в Петербурзі: електростанції, що обслуговують район Невського проспекту, розташовувалися на баржах (поряд вода, не треба землі), що стояли на Мийці та Фонтанці.
Обмеження можливості розширення радіусу електропостачання призвело до того, що задовольняти попит на електроенергію згодом ставало дедалі важче.
Зростання потреб у електроенергії ефективностимулював підвищення продуктивності та економічності теплових станцій. Слід зазначити рішучий поворот від поршневих парових машин до парових турбін.
В Україні перші парові турбіни були встановлені в 1891 р. в Петербурзі на Фонтанці [2].
У період гідроелектростанції будувалися рідко у зв'язку з труднощами передачі електроенергії великі відстані.
Електростанції – капіталістичні підприємства – прагнули розширити коло споживачів свого товару – електричної енергії. Було знайдено кілька шляхів збільшення радіусу розподілу енергії.
Перша ідея, що не набула поширення, стосувалася зниження напруги електричних ламп. Проте розрахунки показали, що з довжині мережі понад 1.5 км економічно вигідніше було побудувати нову електростанцію.
Інше рішення, яке у часто могло задовольнити споживачів, полягало у зміні схеми мережі: перехід від двопровідної до багатопровідної, тобто. Власне підвищення напруги. Одним з таких рішень була трипровідна мережа: генератори на станціях з'єднувалися послідовно, і від середньої точки йшов нейтральний або компенсаційний провід (1882 Дж. Гопкінсон і Т. Едісон). При цьому звичайні лампи зберігалися і включалися між лінійним та нейтральним проводами, а двигун для збереження симетрії навантаження включався на лінійні проводи (220 В). При несиметричному навантаженні в нейтральному дроті з'являвся струм, але набагато менше лінійного, що дозволяло зменшити його перетин. Зменшувався переріз (через нейтральний дроти) та лінійних дротів -економія міді. Практично це дозволяло збільшити радіус електропостачання до 1200 м-коду.
Третій шлях збільшення радіусу електропостачання передбачав спорудження акумуляторних підстанцій. Вони були на той часобов'язковим доповненням будь-якої електростанції, оскільки покривали піки навантаження. Ці підстанції споруджувалися поблизу споживачів.
Всі можливості збільшення радіусу електропостачання при постійному струмі досить швидко були вичерпані. Багатопровідні мережі та акумуляторні підстанції могли задовольняти потреби малих та середніх міст, але зовсім не відповідали потребам великого міста.
У 80-х р. починають споруджуватися станції змінного струму, вигідність яких з погляду радіусу електропостачання була безперечною.
Першою електростанцією змінного струму, що постійно діяла, можна вважати станцію Гровнерської галереї (Лондон). На ній, пущеній в експлуатацію в 1884 р., було встановлено два генератори змінного струму Сіменса, які через послідовно включені трансформатори Голяра та Гіббса працювали на освітлення галереї. Недоліки послідовного включення трансформаторів (трудність підтримки сталості струму) були виявлені швидко, і в 1886 р. ця станція була реконструйована за проектом С.Ц. Ферранті. Генератори Сіменса замінили машинами Ферранти, кожна потужністю 1000 кВт з U= 2.5 кВ. Трансформатори, виготовлені за проектом Ферранті, включалися паралельно і служили зниження напруги у безпосередній близькості від навантаження.
Швидкохідність парових поршневих двигунів тоді сильно відставала від швидкохідності генераторів. Тому останні мали великі діаметри та малі довжини. Це характерно зараз для гідростанцій.
Прикладом великої гідростанції однофазного струму, що живила освітлювальне навантаження, може бути американська станція, побудована 1889 р. на водоспаді поблизу Портленда. Гідравлічні двигуни приводили у дію 8 однофазних генераторів загальною потужністю 720 кВт. Енергія передавалась навідстань 14 миль.
Характерна риса перших електростанцій змінного струму - ізольована робота окремих машин. Синхронізація генераторів ще не проводилася, і від кожної машини йшов окремий ланцюг до споживачів. Легко зрозуміти, наскільки неекономічними були такі мережі (витрати міді та ізоляторів).
В Україні найбільші станції однофазного струму були споруджені в кінці 80-х на початку 90-х років (1887 р. - Одеса). Того ж року розпочалася експлуатація електростанції у Царському Селі. Протяжність повітряних ліній була 64 км. У 1890 р. станцію було переведено на змінний струм U = 2 кВ. За свідченнями сучасників, Царське Село було першим містом у Європі, яке було висвітлено виключно електрикою.
Найбільшою в Україні електростанцією однофазного струму була станція на Василівському острові в Петербурзі, побудована в 1894 р. інженером Н.В. Смирновим [1]. Її потужність становила 800 кВт і перевищувала потужність будь-якої існуючої на той час станції постійного струму.