История развития основного высоковольтного оборудования. Часть 1

Одним из важнейших элементов электроэнергетической установки является трансформатор. Развитие этого аппарата зависело от роста мощностей и напряжений линий электропередачи. Как уже отмечалось, конструкции первых трансформаторов стержневого и броневого типа были разработаны в 70-х годах XIX в.

Первые конструкции трансформаторов были несовершенны, имели большое магнитное рассеяние, так как их первичная и вторичная обмотка располагалась на разных сердечниках магнитопровода. Дальнейшие поиски рациональных конструкций трансформаторов были направлены на уменьшение магнитного рассеяния (прежде всего путем концентрического расположения обмоток), улучшение междувитковой изоляции, разработку систем охлаждения и т. д.

На рубеже 80-х — 90-х годов были сделаны попытки использовать для охлаждения и изоляции обмоток минеральное масло. В течение первых двух десятилетий текущего столетия преимущественное распространение в американских установках получили трехфазные группы из однофазных трансформаторов, а в европейских — трехфазные масляные трансформаторы стержневого и броневого типа с охлаждением циркулирующей водой.

Стержневой и броневой типы трансформаторов сохранились до настоящего времени, причем первый получил преимущественное распространение. В качестве материала обмоток использовали почти исключительно полосовую медь прямоугольного сечения. Иногда, как это было в Германии во время первой мировой войны, строили трансформаторы мощностью до 60 тыс. кВ-А с алюминиевой обмоткой. В целом совершенствование обмоток трансформаторов заключалось в повышении их механической и электрической прочности, теплостойкости, экономичности и улучшении технологических способов изготовления.

Претерпела существенные изменения одна из важнейших конструктивных деталей трансформаторов — вводы высокого напряжения. Для сравнительно невысоких напряжений, порядка 35 кВ, различные фирмы, такие, как «Westinghouse» и некоторые другие, обычно применяли фарфоровые конструкции. Для более высоких напряжений, начиная с 50—60 кВ, наиболее распространенными были две разновидности: конденсаторные вводы и пустотелые с масляным наполнением. Конденсаторные вводы были предложены в Германии в 1906 г.

В трансформаторостроении большую роль играло уменьшение размеров и веса аппаратов. В этом отношении характерны такие показатели: если в 1900 г. масляный трансформатор мощностью 1200 кВ-А весил 18 100 кг, то в 1920 г. этот же тип аппарата той же мощности весил 7550 кг, т. е. его вес составлял всего 41,7% по отношению к образцу 1900 г.

С ростом мощностей электрических станций все более усложнялась задача отключения рабочих токов, особенно токов коротких замыканий. Использовавшиеся для отключения особые высоковольтные устройства — выключатели прошли длительный путь развития. Простейшие коммутационные устройства появились примерно в 20-х годах XIX столетия. Это были металлические стержни, впущенные в сосуды со ртутью. Такими переключателями пользовались Д. Генри и А. М. Ампер («коромысло Ампера») для изменения направления тока в электрических цепях.

Принцип ртутных контактов сохранился в выключателях до начала 90-х годов уже в связи с энергетическими применениями электричества. Подобные аппараты действовали, например, на электростанции в Риме, работавшей на линии передачи напряжением 2 кВ при токе 200 А. Будапештская фирма «Ганц и К⁰» строила выключатели с ртутными контактами для напряжений до 10 кВ. Но ртутные контакты были неудобными: устройства получались громоздкими, нетранспортабельными, не обеспечивали надежного отключения.

В 90-х годах появились конструкции с подвижными контактными элементами, среди которых автоматический выключатель М. О. Доливо-Добровольского (1893 г.) отличался оригинальностью пластинчатых пружинящих контактов. До тех пор, пока напряжение электрических установок не превышало 15 кВ, а токи 300 А, применение подобных аппаратов было допустимо без специальных средств для гашения дуги. Однако повышение напряжения до 22 кВ, как это было, например, на Ниагарской гидроэлектростанции в 1901 г., вызвало настоятельную потребность в выключателях, в которых бы обеспечивался надежный разрыв дуги с помощью дополнительных дугогасительных средств. Одним из первых дугогасительных приспособлений, получивших широкое признание, стали рогообразные контакты, примененные первоначально в грозозащитных разрядниках. Массивные рога способствовали быстрой деионизации дугового промежутка. Выключатель с рогообразными контактами, запатентованный фирмой «Brown, Boveri & С0» в 1897 г. долго использовали в электротехнике. Для ускорения прерывания дуги стали применять также «магнитное дутье» искусственно создаваемым магнитным полем. Этот принцип дугогашения также был заимствован из практики грозозащиты — разрядники с магнитным гашением были предложены И. Томсоном и широко применялись в 90-е годы для защиты установок постоянного тока.

По мере роста мощности установок возникло новое затруднение: дуга, свободно поднимавшаяся по роговым электродам, распространялась на весьма значительные расстояния и угрожала безопасности расположенного вблизи оборудования. Предохранительное средство предложил М. О. Доливо-Добровольский: на пути дуги устанавливали поперечные перегородки из изоляционного материала. Дуга, изгибаясь вокруг нижних кромок пластин, удлинялась, сопротивление дугового промежутка возрастало, дуга быстрее деионизировалась.

В 1912 г. Доливо-Добровольский внес еще одно перспективное предложение: устанавливать на пути дуги решетку из металлических пластин — так называемую искрогасительную решетку. Это изобретение до настоящего времени широко используют во многих видах коммутационной аппаратуры: контакторах, рубильниках, разъединителях.

Однако выключатели с открытой дугой в воздухе не могли полностью решить задачу надежного отключения больших токов короткого замыкания. Поэтому параллельно с развитием этого вида аппаратов начиная с 50-х годов не прекращались попытки создать плавкие предохранители и выключатели с использованием высоких электроизоляционных свойств минеральных масел. Первые конструкции масляных предохранителей и выключателей, созданные И. Томсоном в Америке и С. Ферранти в Англии, представляли собой устройства, в которых контакты разрывались в воздухе с последующим отводом подвижного контакта под слой масла.

Следующим шагом в развитии масляных выключателей было разделение функции рабочих и дугогасительных контактов. В 1898 г. Ч. Броун разработал конструкцию, в которой на каждую фазу приходилось по два рабочих и по четыре дугогасительных контакта. Процесс гашения дуги в таком аппарате ускорился, а допустимая разрывная мощность значительно возросла благодаря ряду существенных особенностей: дугогасительные контакты, разбивая дугу на несколько коротких дуг, находились глубоко под слоем масла и быстро разводились сильными пружинами.

В 1898 г. подобного типа выключатели были построены в Америке инженером Э. М. Хьюлеттом. Они приближались к современным видам масляных выключателей, хотя первые конструкции не имели специальных дугогасительных камер. Гашение осуществлялось в результате увеличения расстояния между расходящимися контактами. Но это увеличение не могло быть беспредельным, и в то время как напряжения и мощности электрических установок продолжали повышаться, габариты выключателей и объем масла недопустимо возрастали. Возникла потребность в новых дугогася-щих средствах, первым из которых стало газомасляное дутье, создаваемое в специальных дугогасительных камерах. В 1908 г. американские инженеры Д. Хиллард и Ч. Парсонс построили масляный выключатель с гасительной камерой продольного дутья. В дальнейшем принцип газомасляного дутья прочно утвердился в выключателестроении.

В 90-е годы XIX в. и в начале XX в. появилось еще несколько принципиально новых устройств для разрыва дуги, таких, как водяные, трубчатые, автогазовые и, наконец, воздушные выключатели, но они не получили в первые два десятилетия XX в. сколько-нибудь широкого признания и практического применения.

В начальный период развития сильноточной техники представлялась более удобной передача электрического тока по проводам с помощью кабельных подземных ЛИНИЙ. Полагали, что подземная проводка обезопасит электрические сети от механических повреждений и атмосферных помех и не будет портить внешнего вида городов.

Шухардин С. "Техника в её историческом развитии"