Постоянный ток: история открытия и изучения явления, применение в современном мире
Еще древнегреческий философ Фалес писал о свойствах янтаря, потертого шерстью, притягивать мелкие предметы. Но достаточно долгое время все знания об электричестве ограничивались этим любопытным опытом. Никто не связывал с этим явлением природные молнии, наблюдаемые во время гроз. Дальнейшее изучение электрического тока, пока без разделения на постоянный и переменный, продолжилось лишь в XVII веке. И за пару сотен лет ученые продвинулись очень далеко.
Открытие явления
В 1600 году был введен термин «электричество», а более чем полвека спустя началось его активное изучение. Изначально разделения на постоянный и переменный ток не существовало, так что исследования были несистематичными. Первая теория, касающаяся природы электричества, была сформулирована в XVIII веке Бенджамином Франклиным, который, впрочем, остался в истории в первую очередь как политический деятель. Чуть позднее был сконструирован первый конденсатор — так называемая Лейденская банка. Тем не менее, считается, что всерьез история исследования постоянного тока началась с опытов Гальвани, касающихся, как ни странно, в первую очередь биологии, а не физики. Знаменитый итальянец буквально перевернул науку.
Изучение постоянного тока
Опыты Гальвани касались в первую очередь физиологии. Пропуская электрический ток через тело лягушки, он заметил, как ее мышцы сокращались. Описание этих опытов заинтересовало не только биологов, но и физиков. Сам же Гальвани, проведя еще серию исследований, счел, что мышцы являются чем-то вроде Лейденской банки, или, если быть точнее, ее батарей. Эти опыты легли в основу современной электрофизиологии. Последователь итальянца, его соотечественник Алессандро Вольта, в 1800 году создал первый источник питания постоянного тока — гальванический элемент. Англичане Карлейл и Николсон повторили опыты своего коллеги, придя к выводу, что в определенных условиях электричество, пропущенное через воду, заставляет ее разлагаться на составные элементы. Подобные эксперименты в конечном итоге дали стимул развитию химии. Русские ученые также приложили руку к исследованиям — уроженец Санкт-Петербурга Василий Петров в 1803 году описал явление электрической дуги. Однако 9 лет спустя это открытие произошло снова и было представлено как случившееся впервые. Дальнейшие исследования уже были направлены на изучение характеристик и законов, управляющих током. Параллельно ученые находили все новые и новые способы применения электричества, изобретая удивительные приборы, которыми человечество пользуется до сих пор.
Характеристики и параметры
Как очевидно из названия, величина постоянного тока и его напряжение в любой момент остаются неизменными. Несмотря на то что движение заряженных частиц происходит непрерывно, их общее пространственное положение остается стационарным. Кстати, как ни удивительно, но с технической точки зрения термин «постоянный ток» является некорректным, ведь неизменным является не он, а напряжение источника питания, его электродвижущая сила (ЭДС). Но понятие настолько прочно вошло в употребление, что его изменение просто невозможно представить. Итак, главным признаком этой разновидности остается отсутствие смены полярности напряжения на источнике питания. Постоянный ток обладает рядом параметров, которые, разумеется, присущи и другим типам:
- Сила или величина (I). Показывает количество тока, протекающего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Измеряется в амперах.
- Плотность (F). Отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника. Единицы измерения — А/мм 2 .
- Напряжение (V). Эта физическая величина показывает работу источника электроэнергии при переносе заряда по отношению к ее величине. Измеряется в вольтах.
- Электрическая мощность (P). Обозначает скорость передачи или преобразования электроэнергии. Единица — ватт.
- Сопротивление (R). Эта величина характеризует свойство проводника препятствовать прохождению тока. Измеряется в омах.
Законы и формулы
Все вышеназванные величины напрямую связаны друг с другом, и практически любая из них может быть выражена через остальные. В школьном курсе физики это подробно изучается, но нелишним будет повторить все снова. Самыми простыми примерами формул могут являться следующие:
- V = I x R = P : I;
- I = V : R = P : V;
- R = V 2 : P = V : I = P : I 2 ;
- P = V x I = I 2 x R = V 2 : R.
Разумеется, многие помнят и о законе Ома, хотя не все смогут его сформулировать. Он применим и к постоянному току и описывает зависимость ЭДС источника или напряжения и силы от сопротивления. На языке формул это выглядит так:
- U = IR. То есть разность потенциалов между началом и концом проводника равна произведению силы тока и сопротивления.
В том числе и с этим законом связана еще одна важная зависимость. Она описывает переход электрической энергии в тепловую при передаче. Иными словами, речь идет о потерях мощности в виде нагрева проводов. Эта зависимость называется законом Джоуля-Ленца и описывается так:
- Q = I 2 Rt,
где Q — выделяемая теплота, I — сила тока, R — сопротивление, а t — промежуток времени.
Эта формула работает только для постоянной разновидности. То есть она применима только для частного случая, в то время как для переменного она будет выглядеть несколько сложнее.
Отличия от остальных видов
Если рассмотреть графики основных типов электротока, то никаких вопросов не возникнет. Линия постоянного будет прямой, остающейся на одном уровне с течением времени, переменного — пилообразной. В отличие от последнего, первый не обладает таким параметром, как частота, вернее, в этом случае она является нулевой. Кроме того, направление постоянного тока не меняется со временем. Различается и обозначение — DC (direct current) и AC (alternating current). Как нетрудно догадаться, первый — это постоянный, а второй — переменный. К тому же последняя разновидность может быть как одно-, так и трехфазной. В этом и заключаются основные отличия.
Источники и усилители
Разумеется, постоянный ток не берется из ниоткуда. Существуют спеицальные приборы, которые его генерируют. Это обычные батарейки, аккумуляторы и другие современные источники. Первым из них был тот самый гальванический элемент Вольта. Но иногда ток нужно не только генерировать, но и усиливать. Для этого тоже есть специальные устройства — усилители постоянного тока (УПТ). Эти приборы необходимы для того, чтобы повышать напряжение. Усилитель в полном смысле можно назвать УПТ, если его рабочий диапазон включает все частоты, вплоть до самых низких, и нулевую. Эти устройства очень востребованы и широко используются во многих областях электроники, так что их развитие и совершенствование происходит непрерывно.
Применение в современном мире
Он повсеместно. Любые современные приборы, работающие как от сети, так и от аккумуляторов, используют постоянный ток. В первом случае устройство предусматривает специальный элемент, преобразующий электричество из одной разновидности в другую. Во втором же в источнике питания происходит химическая реакция, которая поддерживает напряжение неизменным. Казалось бы, что в этом случае проще было бы, если бы в сети был постоянный, а не переменный ток, но это не так. Вторую разновидность проще вырабатывать, а также его не приходится преобразовывать для работы трансформаторов. А устройства, позволяющие из переменного получать постоянный называются выпрямителями, хотя приборы, проводящие обратное действие, — инверторами. Нашел свое применение этот вид тока и в электрохимии, некоторых видах сварки, обработке металлов, медицине и многих других областях. Он действительно везде, и иногда это кажется настоящим чудом, ведь все начиналось с обычного янтаря.
Электричество и батарея Вольта
Электрическая батарея Вольта стала первым источником постоянного электрического тока. Этому изобретению предшествовали два века догадок и опытов, открытий и сомнений. Масштаб изобретения Вольта, появившегося в Век паровых машин, оценили уже через 30 лет, и тогда электричество, этот новый вид энергии, совершило переворот в технике и открыло следующий этап развития цивилизации — Век электричества.
Путь на ощупь
Люди с древности сталкивались с электрическими явлениями, но не могли их правильно объяснить. Греческий философ VII в. до н. э. Фалес, заметив, что потёртый о шерсть янтарь притягивает лёгкие предметы, объяснил это свойством самого янтаря, не ведая, что и другие вещества могут обладать такими «способностями».
Наблюдение Фалеса, так и не получив внятного толкования, было забыто и воскресло только в 1600 г. в опытах английского физика Уильяма Гильберта. Гильберт обнаружил, что одни тела, подобно янтарю, после натирания притягивают лёгкие предметы, а другие — нет. Гильберт назвал эту притягивающую силу «электричеством» (от лат. electricus — «янтарный») и впервые твёрдо заявил о существовании в природе некого неведомого явления, требующего изучения.
Электрофор Герике
В 1650 г. внимание публики к электричеству привлёк немецкий физик Отто фон Герике, тот самый, кто потом проделал опыт с магдебургскими полушариями. Герике придумал электрофор (электростатическую машину), наглядно показавшую существование электричества и открывшую новые возможности для его изучения. Герике изготовил шар из серы и вставил в него железную ось. Вращаясь вокруг неподвижной оси, шар от трения о железо наэлектризовывался и начинал притягивать лёгкие предметы, например пёрышко. Пёрышко следовало за шаром при его перемещении и само начинало притягивать к себе пылинки или притягиваться к крупным предметам, например к протянутой руке. Так Герике доказал, что электрическое состояние может передаваться от предмета к предмету. Прилипнув к шару, пёрышко потом резко отталкивалось от него. Так было открыто явление электрического отталкивания.
Накопление знаний
В 1729 г. английский физик С. Грей, проводя опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружил, что вещества проводят электричество по-разному. Хорошо проводящие электричество вещества позднее были названы проводниками, а не проводящие электричества — диэлектриками (изоляторами). Французский физик Ш. Дюфе в 1733 г. сделал другое открытие: натерев смолу (янтарь) шерстью, а стекло шёлком, он обнаружил, что пары — стекло и смола, стекло и шёлк, смола и шерсть, шёлк и шерсть — притягиваются друг к другу, а стекло и шерсть, шёлк и смола — отталкиваются. Из этого Дюфе заключил, что есть два вида электричества — «стеклянное» и «смоляное», причём и то, и другое передаётся — заряжает разные проводники.
Предметы, заряженные «стеклянным» и «смоляным» электричеством, взаимно притягиваются, но отталкивают от себя одноимённо заряженные материалы. Американский учёный Б. Франклин в 1740 г. вместо «стеклянного» и «смоляного» электричества ввёл понятия, соответственно, положительного («+») и отрицательного («-») зарядов. При трении один из наэлектризовывающихся материалов всегда получает заряд «+», а другой «-».
Что такое электричество?
До конца XIXв. и учёные, и простые люди, уже пользуясь электричеством, мало знали о его природе. Лишь с открытием электрона, материального носителя электричества, картина стала проясняться. Сейчас мы знаем, что электричество, или электрический ток — это направленный поток заряженных частиц, которыми чаще всего бывают отрицательно («-») заряженные электроны. Электроны вращаются вокруг положительно («+») заряженного ядра атома, удерживаясь этим ядром на своих орбитах и составляя его оболочку. Но некоторые электроны отрываются от своих атомов и свободно и хаотично движутся между ними. При некоторых условиях, например при подключении тела к источнику электрической энергии, свободные электроны в теле начинают двигаться в одном направлении — возникает электрический ток, и вокруг тела образуется своё электрическое поле. Направление тока от «+» к «-» противоположно направлению движения электронов. Когда электрическая «подпитка» извне прекращается, электроны в теле возвращаются к хаотичному движению.
Банка для электричества
Электрофор Герике, ставший настольным прибором физиков, производил электричество, но не конденсировал (не накапливал) заряд, и для многих опытов электричества не хватало. Конденсатор (накопитель) электричества в 1745 г. создал голландский физик Питер Мушенбрук из г. Лейдена. Банку из стекла (диэлектрика), служившего изолятором, он наполнил проводником — водой, и другим проводником — металлическим стержнем, соединил воду с серным шаром электрофора. Электроны от шара по стержню поступали в воду, откуда не могли уйти, не пропускаемые стеклом-изолятором. Так в банке накапливался заряд. Проверяя, зарядилась ли банка, Мушенбрук потрогал её стержень, когда банка стояла на столе. Не получив электрического удара, он счёл, что опыт не удался. Но его ученик Кюнеус, держа банку в руках, коснулся стержня и получил сильнейший удар. Так состоялось открытие — Мушенбрук изобрёл кондесатор, лейденскую банку, долгие годы служившую главным источником электричества для науки.
Заряд лейденской банки был довольно велик. В одном опыте электрический удар лейденской банки разом почувствовали 180 державшихся за руки гвардейцев, первый из которых держал банку, а последний касался её стержня. Считается, что после этого опыта систему из соединённых проводников стали называть электрической цепью.
Ошибка, ставшая открытием
В 1786 г. итальянский медик Луиджи Гальвани, препарируя лягушку, закреплённую на столе медными крючками, дотронувшись до неё стальным скальпелем, заметил, что у мёртвой лягушки сократились мышцы лапок. Гальвани решил, что так проявляется «животное электричество». Вывод Гальвани опроверг его соотечественник Алессандро Вольта, доказав, что лапка лягушки показала наличие электричества, полученного от контакта двух разнородных металлов, меди и стали, с жидкостями тела лягушки. Вольта погрузил соединённые проволокой медную и цинковую пластинки в кислоту. Цинк стал растворяться в кислоте, на меди образовались пузырьки, а по проволоке пошёл электрический ток, который Вольта обнаружил, приложив к ней электроскоп — прибор, показывающий наличие электричества.
Столб силы
Поняв, что электричество можно производить химическим путём, Вольта собрал гальванический элемент: медный и цинковый кружочки и суконный кружок с кислотной пропиткой меж ними. Нанизав на проволоку несколько таких элементов, Вольта сделал прибор — батарею (столб), вырабатывающий электричество. Соединяя концы проволоки, в электрическую цепь и в батарею запускали электрический ток. Чем длиннее была батарея, тем больше была сила тока. Батарея Вольта — прототип всех современных батареек.
Развитие идеи
Открытие Вольты немедленно дало результаты — в 1800 г. английские физики В. Никольсон и А. Карлайл с помощью катода и анода осуществили электролиз воды, разложив её молекулы на атомы кислорода и водорода. Так стали получать кислород и водород для нужд науки, медицины и техники. В 1802 г. русский физик В. Петров сделал мощнейшую батарею из 2100 гальванических элементов. Её напряжение более чем в 100 раз превышало напряжение электрической сети в наших домах. При сближении концов проволоки своей батареи Петров создал разряд такой силы, что он «пробил» воздух — диэлектрик, не проводящий электричество. В месте «пробоя» воздух ионизировался, перейдя в состояние плазмы, способной проводить ток. Плазменная дуга светилась и нагревалась до очень высокой температуры. Так была открыта электрическая дуга.
В русской армии таким дуговым разрядом стали запаливать порох и взрывчатку. Электрический запал был первым практическим применением работы электричества.
Ренессанс постоянного тока: как HVDC спасли переменный ток
В мире, казалось бы, победившего переменного тока назревает — нет, не революция, но органичная эволюция: постоянный ток не просто возвращается, а претендует на лавры победителя. Инвестиции в возобновляемые источники энергии и трансграничная передача электричества сделали высоковольтные сети постоянного тока как никогда актуальными. В этом посте мы рассказываем, почему постоянный ток уступил току переменному и как спустя век после «Войны токов» постоянный ток взял реванш.
Источник: Shutterstock
Постоянный ток — это основа современного технологического общества: вся полупроводниковая электроника, работающая от сети или аккумуляторов, использует постоянный ток, с его помощью добывают чистый алюминий, магний, медь и другие вещества. В бортовой сети автомобиля тоже постоянный ток, как и в электрической передаче дизельных судов. Ну и конечно электропоезда: трамваи, метро и некоторые электровозы питаются постоянным током. И космос: все рукотворные космические объекты функционируют исключительно благодаря постоянному току от батарей или РИТЭГов.
Помимо всего этого, есть еще одна область, где постоянный ток если не незаменим, то по крайней мере значительно эффективнее переменнее тока, — высоковольтные линии для передачи высокой мощности. Линии постоянного тока (HVDC, High-voltage direct current) еще век назад стали спасением высоковольтных линий переменного тока (HVAC, High-voltage alternating current). Если бы не постоянный ток, электричество в наших розетках было бы куда дороже и исчезало чаще, чем это происходит сейчас. Давайте разберемся в этой интересной истории «взаимовыручки».
Ирония судьбы постоянного тока
Чтобы оценить всю иронию ситуации с возвращением постоянного тока в высоковольтные линии электропередач, нужно вспомнить о событиях «Войны токов» — сражения апологетов постоянного тока в лице изобретателя и бизнесмена Томаса Эдисона и тока переменного, преимущества которого осознавал предприниматель Джордж Вестингауз. Вкратце напомним о том, как постоянный ток проиграл битву за то, чтобы стать основой мирового энергоснабжения.
После того, как человечество подчинило себе электричество и научилось извлекать из него пользу в промышленности, дальновидные бизнесмены смекнули, что на электрификации городов в перспективе можно сколотить не просто капитал, а фантастическое состояние. Изобретатель Томас Эдисон отлично умел монетизировать свой талант инноватора и зарабатывал не столько на собственных изобретениях, сколько на усовершенствовании чужих идей. Одним из примеров такой успешной «доводки» стало создание лампы накаливания, которая появилась благодаря попавшем в руки Эдисона дуговым лампам с угольными электродами. Такие лампы хоть и давали свет, но в качестве постоянных источников освещения не годились — в те времена угольные дуговые лампы работали от силы несколько часов, а включить их можно было только один раз.
Первая серийная лампа Эдисона — еще с угольной нитью и временем работы в несколько десятков часов. Источник: Terren / Wikimedia Commons
Усовершенствовав конструкцию и создав свою знаменитую лампу накаливания, которая могла работать 40 часов, а после доработки 1200 часов, Эдисон осознал, что его лампочка может стать основой систем освещения городов и помещений — давая более яркий свет по сравнению со свечами и газовыми фонарями, лампы накаливания имели меньшую стоимость, не чадили, не жгли кислород в помещениях, а замены требовали реже, чем те же свечи. Производством ламп занялось предприятие Edison Electric Light, а генераторов постоянного тока — Edison General Electric. Продавая лампы ниже себестоимости, Эдисон завоевал рынок освещения, а для первых потребителей начал строить энергосети в Лондоне и Нью-Йорке.
Лампа накаливания может работать и с переменным, и с постоянным током, но Эдисон сделал выбор в пользу постоянного тока. Причина этого решения очень тривиальна и далека от физики. Как мы говорили, Эдисон был не только изобретателем, но и очень предприимчивым бизнесменом. В электричестве он видел не только способ дешевого освещения городов, но и возможность для модернизации промышленности за счет внедрения электрической тяги. Существовавшие в то время электромоторы работали только на постоянном токе.
К тому же для заработка на поставках электричества надо было как-то измерять потребление каждого абонента. Эдисон создал индивидуальный счетчик, представлявший собой резервуар с электролитом и пластиной, на которой под действием проходящего тока оседала медь — каждый месяц пластину взвешивали и по разнице массы вычисляли потребление электроэнергии. Такой счетчик работал только с постоянным током.
Счетчик постоянного тока конструкции Томаса Эдисона. «Передача показаний» заключалась в передаче банки с пластинами представителям энергетической компании. Источник: Thomas A. Edison Papers / edison.rutgers.edu
Но были у постоянного тока и нерешенные проблемы, главная из которых — невозможность передачи высокой мощности на большие (более 2 км) расстояния. Чтобы передать высокую мощность, которая необходима для электроснабжения предприятия или системы освещения города, в электросети нужно повысить либо ток, либо напряжение (мощность, напомним, равна произведению напряжения и силы тока). Но в конце XIX века не было способов менять напряжение постоянного тока. Выпускаемые в США электроприборы работали от напряжения 110 В, поэтому электростанции Эдисона, работавшие на паровых генераторах, должны были посылать в сеть именно 110 В.
Оставалось управлять силой тока. При повышении тока часть энергии уходит на нагрев проводов (с высоким напряжением такой проблемы нет). Для снижения потерь и нагрева нужно уменьшать сопротивление, увеличивая диаметр проводника или применяя материалы с хорошей электропроводностью, например, медь. И всё равно потери будут расти в зависимости от длины кабеля.
Чтобы сократить длину проводника до допустимой, потребители должны были располагаться не далее, чем в 1,5-2 км от электростанции, иначе мощность в сети падала до неприемлемых значений. Например, на 56-километровой линии между французскими городами Крей и Париж потери достигали 45%. Как Эдисон ни бился с проблемой потерь в сетях постоянного тока, решить ему ее так и не удалось. Единственным выходом было только строительство маломощных электростанций рядом с потребителями. Тогда это не казалось надругательством над экологией и жителями — именно такие станции и строила компания Эдисона. Первая из них была построена на Пёрл-стрит на Манхэттене в Нью-Йорке в 1882 году, в том же году началась прокладка подземных кабелей сети постоянного тока с напряжением 110 В.
Эдисон прокладывал под землей линии электропередач уличного освещения еще до того, как это стало модным в Москве. На иллюстрации укладка линии постоянного тока в Нью-Йорке в 1882 году. Источник: W. P. Snyder / Wikimedia Commons
Ошибочность своего выбора Томас Эдисон осознал, хотя и не признал публично, когда его конкурент по электрическому бизнесу — Джордж Вестингауз, — начал вкладываться в строительство электростанций и сетей переменного тока, имевших серьезные преимущества перед сетями тока постоянного. Благодаря уже изобретенным к тому моменту трансформаторам напряжение переменного тока можно было без труда повышать и понижать. Трансформаторы решали проблему передачи высокой мощности, ведь вместо силы тока можно было просто увеличить напряжение, для передачи которого не требовались толстые провода из дорогой меди.
Таким образом сети Вестингауза могли передавать очень высокую мощность по дешевым кабелям меньшего диаметра и при этом практически без потерь. Это доказывает пример 175-километровой сети переменного тока между немецким городом Лауффен-ам-Неккар и Франкфуртом — ее КПД составил 80,9% после запуска в 1891 году и 96% после модернизации — несравнимо выше 45% на втрое меньшей дистанции у сети постоянного тока.
Трехфазный генератор переменного тока в Лауффен-ам-Неккар, Германия. Источник: Historisches Museum, Frankfurt
У сетей переменного тока не было жесткого ограничения на длину. Благодаря этому стало возможным строительство гидроэлектростанций, электричество с которых могло передаваться в крупные города, расположенные за десятки и даже сотни километров от места выработки. А гидроэлектростанция — это куда более значимый и прибыльный проект, чем маломощная угольная станция внутри города.
«Война токов» продолжилась некрасивой пиар-кампанией Эдисона против переменного тока (показана, в частности в художественном фильме 2017 года «Война токов», или The Current War, режиссёра А. Гомес-Рехона), судебной и законотворческой волокитой против Вестингауза и постепенной потерей позиций бизнеса Эдисона под давлением всё более популярных сетей переменного тока. Последняя эдисоновская электростанция постоянного тока прекратила свою работу в 1981 году, что же до потребителей, в Сан-Франциско до сих пор сотни объектов (в основном старинные лифты) используют постоянный ток через выпрямители переменного тока. Но для нас это уже не так важно.
Постоянный ток спасает переменный
Всего через несколько лет после начала масштабного строительства электростанций и сетей переменного тока выяснилось, что переменный ток имеет проблемы при передаче энергии… на большие расстояния! Коронный разряд в высоковольтных воздушных линиях, на который может приходиться до половины потерь, поверхностный эффект, при котором переменный ток протекает по проводнику неравномерно и из-за этого требует проводники бо́льшего диаметра, реактивная мощность из-за высокого емкостного сопротивление подводных кабелей, «съедавшая» почти 100% переменного тока уже через 50 км — всё это вызывало потери процентов и десятков процентов мощности в первых магистральных сетях переменного тока.
Утечки на больших расстояниях — это во-первых. А во-вторых, объединение энергосетей переменного тока требовало идеальной синхронизации генераторов, расположенных в разных частях страны. При отсутствии синхронизации генератор в лучшем случае не будет подавать ток в сеть, в худшем — произойдет короткое замыкание.
Спасением высоковольтных сетей переменного тока стали высоковольтные сети постоянного тока, избавленные от некоторых недостатков конкурента. Постоянный ток не создает поверхностный эффект в проводнике и потому использует всю площадь сечения проводника с максимальной эффективностью (это уменьшает диаметр и стоимость проводов). В цепях постоянного тока нет реактивной мощности, поэтому в подводных кабелях с высокой емкостью потерь не происходит.
В высоковольтных сетях переменного тока толщина скин-слоя (отмечен буквой δ) определяется точкой падения плотности тока на 63%.В сетях с частотой 50 Гц скин-слой достигает 9,34 мм — часть объема дорогостоящего проводника просто не работает. Источник: biezl / Wikimedia Commons
Вырисовывалась замечательная синергия: электростанции и потребители используют переменный ток, но для его транспортировки на сотни километров применяются сети постоянного тока. Оставалась лишь одна «пустяковая» проблема — как превратить переменный ток в постоянный и обратно?
В конце XIX века швейцарский инженер Рене Тюри предложил использовать для соединения сетей с разным типом тока систему «мотор-генератор», в которой на одном конце сети переменный ток вращал мотор, приводящий в действие генератор постоянного тока, а на другом конце постоянный ток в свою очередь вращал мотор с генератором переменного тока. Идея, гениальная в своей простоте, но с невысоким КПД — двойное преобразование за счет моторов и генераторов «съедало» часть мощности. Тем не менее, других решений, кроме системы Тюри, не было, поэтому с 1883 года началось строительство магистральных сетей постоянного тока с машинами Тюри, связывающих крупные электростанции и города в Европе.
Одна из машин Тюри. Самая крупная из них, весом 4500 кг, генерировала 66 кВт. Источник: Wikimedia Commons
В 1902 году американец Питер Купер-Хьюитт изобрел ртутно-дуговой выпрямитель — несложное устройство для превращения переменного тока в постоянный. Оригинальный выпрямитель Купера-Хьюитта представлял собой замысловатую стеклянную колбу с выходящими из нее электродами, дно которой было заполнено ртутью. В работе выпрямитель выглядит очень эффектно. Впрочем, из-за хрупкости колбы стекло в выпрямителе вскоре заменили на металл.
Работа ртутно-дуговых выпрямителей завораживает. Увы, но сейчас полюбоваться такой красотой можно разве что в музеях — ртутные выпрямители давно не используются, да и те, что остались, сделаны из металла.
Ртутные выпрямители дали толчок к развитию высоковольтных сетей постоянного тока — вместо громоздких и ненадежных машин системы Тюри достаточно было установить выпрямители, в числе недостатков которых была только потенциальная токсичность при разгерметизации и необходимость в хорошем охлаждении из-за тепловых потерь. КПД устройства достигал 98-99%.
На смену ртутным выпрямителям были созданы газотроны и тиратроны (1940-е), полевые транзисторы с изолированным затвором MOSFET и полярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (1959 год), запираемые тиристоры GTO (1962 год) — более совершенные, компактные и надежные преобразователи.
Современный тиристорный конвертер AC/DC. Источник Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Когда каждый процент на счету
Несмотря на заметный прогресс в области выпрямления тока, оборудование для преобразования переменного тока в постоянный и обратно до сих пор стоит очень больших денег. Настолько больших, что строительство сетей переменного тока, даже с учетом повышенного расхода материала для проводов, выходит сильно дешевле. Вне зависимости от длины линии, стартовая цена высоковольтной магистрали постоянного тока обязательно включает стоимость двух преобразователей в начале и конце линии — габаритных и очень дорогих устройств, производимых всего несколькими компаниями в мире, в числе которых и Toshiba. На это оборудование приходится до половины стоимости сети.
Но по мере увеличения длины магистрали стоимость линии на переменном токе растет быстрее, чем на токе постоянном. Виной тому сложность магистрали HVAC — для передачи аналогичной мощности HVDC нужно вдвое меньше проводников меньшего диаметра, а значит, вдвое меньше опор, которые и сами стоят немало, и требуют крайне дорогостоящего монтажа. При длине линии около 600 км стоимость HVDC и HVAC равна, но на больших расстояниях, порядка 2000 км, HVDC выходит сильно дешевле, чем HVAC, примерно на 30-40%, а это сотни миллионов долларов экономии.
Стоимости HVDC и HVAC пересекаются на линии, длинной около 600 км. Далее HVDC становится заметно выгодней. Источник: wdwd / Wikimedia Commons
На каждые 1000 км линии потери в HVDC составляют 2-3%, а самое современное оборудование позволяет снизить этот параметр до 1%. Потери в HVAC могут достигать 6%. Даже в самых эффективных сетях переменного тока с самым лучшим оборудованием потери будут на 30-40% больше, чем в HVDC Несколько процентов от полной мощности — вроде бы терпимая ерунда? Когда речь идет о сетях, передающих несколько гигаватт, каждый процент превращается в десятки потраченных впустую мегаватт, которые можно было бы использовать для электроснабжения маленького города. Не говоря уже о потерянной прибыли.
Прошлое, настоящее и будущее HVDC
HVDC-ветка в между Данией и Швецией передает 350 МВт всего по двум проводникам. Всего два провода — это отличительная особенность воздушных линий постоянного тока, в линиях переменного тока проводников больше в два-три раза. Встречаются и монополярные HVDC с всего одним проводником (второй вывод из выпрямителя соединяют с землей), но их использование несет проблемы для подземных металлоконструкций, поэтому чаще применяется биполярная схема с двумя проводниками. Источник: Shuttertock
HVDC является оптимальным решением для связи сетей стран, разделенных морем. Так ветка между итальянским городом Чепагатти и муниципалитетом Котор в Черногории, которая экспортирует электроэнергию в Италию, пролегает по дну Адриатического моря — используй эта 400-километровая ветка переменный ток, емкостные потери в кабеле были бы слишком большими, и это бы удорожало стоимость электроэнергии для Италии. Кстати, в строительстве этой линии участвовала Toshiba: мы поставили преобразователи напряжения.
Но всё же больше всего Toshiba поучаствовала в строительстве HVDC-сетей в Японии, где исторически сложилась очень необычная ситуация: западная часть страны эксплуатирует ток с частотой 60 Гц, а восточная — 50 Гц. Эта коллизия, которую уже невозможно устранить, возникла еще в конце XIX века, когда Япония одновременно закупила генераторы в Европе и США с выходной частотой тока 50 Гц и 60 Гц соответственно. Результатом поспешного решения далекого прошлого стала вынужденная необходимость строить HVDC-ветки для соединения энергосистем разных частей страны.
HVDC-сети и вставки постоянного тока в Японии помогала строить Toshiba. Первой стала вставка для соединения внутри страны сетей на 50 Гц и 60 Гц, построенная в 1977 году при участии Toshiba. Ее мощность на момент постройки составила 600 МВт. К 2021 году Toshiba провела глубокую модернизацию вставки, увеличив ее мощность на 900 МВт и уменьшив число используемых тиристоров, что позволило немного сэкономить на оборудовании.
Элегазовые выключатели и трансформатор на линии 550 кВ, соединяющей восточную и западную энергосети Японии. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Первая высоковольтная линия постоянного тока, длиною 193 км, связала острова Хоккайдо и Хонсю в 1979 году. Сеть передает 300 МВт с напряжением 250 кВ. В 2000 году мы поставили тиристорные конверторы для мощнейшей подводной HVDC-линии между островами Сикоку и Хонсю — ветка передает 1400 МВт. На момент строительства линии в ней использовались самые крупные в мире тиристоры, которые в следующий раз применялись только 10 лет спустя при постройке китайской HVDC Lingbao 2.
Третья японская HVDC, построенная между островами Хоккайдо и Хонсю, была запущена совсем недавно — в 2019 году. Toshiba выступила главным поставщиком преобразователей на полярных транзисторах с изолированными затворами (IGBT).
На сегодняшний день в мире построено более 150 сетей HVDC и 50 вставок постоянного тока. Среди них есть как объекты, построенные в 1970-х годах прошлого века, так и совсем новые. Около 10 HVDC в Европе находятся в стадии строительства прямо сейчас с планируемым сроком запуска 2021-2025 годы. Строящиеся линии соединяют некоторые европейские страны с Великобританией (для выравнивания нагрузки на европейскую энергосеть), тянуть до которой подводный HVAC бессмысленно.
Однако интерес к HVDC-сетям в последние годы растет, и причина тому — «зеленая» энергетика. В отличие от угольных, газовых и атомных электростанций, возобновляемые источники энергии имеют очень четкую географию: в одних областях больше солнечных дней, в других чаще и стабильней дует ветер.
В Германии около 63 ГВт установленной мощности приходится на ветряные электростанции, 7,8 ГВт из которых — оффшорные станции, расположенные в Северном море в десятках километров от берега. Если нужно передать гигаватты мощности от «ветряков» по кабелям, лежащим под водой, лучшим выбором будет, как вы помните, сеть постоянного тока.
Вот так аккуратно выглядит конвертор для HVDC будущей оффшорной ветряной электростанции Dogger Bank на севере Великобритании. Агрегат будет полностью автономным, не требующим присутствия технического персонала. Источник: Aibel
В Австралии компания Sun Cable готовится приступить к постройке гигантской фотовольтаической (солнечной) электростанции, мощностью 14 ГВт. Причем электроэнергию с нее будут потреблять не в Австралии, а в Сингапуре, куда она будет поступать по подводной HVDC-сети.
Чем больше в мире будет появляться масштабных проектов, связанных с возобновляемыми источниками энергии, тем сильнее будут востребованы высоковольтные линии постоянного тока. Не стоит фантазировать о том, что однажды мечты Эдисона осуществятся и в наших розетках переменное напряжение сменится постоянным, — этого не будет, пожалуй, никогда. Тем лучше, что переменный и постоянный токи пришли к органичному сосуществованию и взаимовыручке в деле электроснабжения планеты.
Война токов: противостояние Томаса Эдисона и Николы Теслы
В 2007 году Нью-Йорк окончательно перешёл с постоянного тока на переменный. Так закончилось столетнее противостояние двух великих изобретателей.
В наше время преимущества переменного тока кажутся более чем очевидными, но в 80-х годах XIX века из-за вопроса, какой ток лучше и как выгоднее передавать электрическую энергию, разразилось острое противостояние. Главными фигурантами этой нешуточной битвы стали две конкурирующие фирмы — Edison Electric Light и Westinghouse Electric Corporation. В 1878 году гениальный американский изобретатель Томас Алва Эдисон основал свою собственную компанию, которая должна была решить проблему электрического освещения в быту. Задача стояла простая: вытеснить газовый рожок, но для этого электрический свет должен был стать более дешевым, ярким и доступным для всех.
Предвосхищая свои будущие открытия, Эдисон написал: «Мы сделаем электрическое освещение настолько дешевым, что только богачи будут жечь свечи». Вначале ученый разработал план центральной электростанции, начертил схемы подводки линий электропередач к домам и фабрикам. В то время электричество получали с помощью динамо-машин, приводящихся в движение паром. Затем Эдисон приступил к усовершенствованию электрических лампочек, стремясь продлить их действие с имевшихся тогда 12 часов. Перебрав более 6 тысяч различных образцов для нити накаливания, Эдисон наконец остановился на бамбуке. Его будущий коллега Никола Тесла иронично отметил: «Если бы Эдисону пришлось найти иголку в стоге сена, он не стал бы терять время на то, чтобы определить ее более вероятное местонахождение. Напротив, он немедленно, с лихорадочным прилежанием пчелы начал бы осматривать соломинку за соломинкой, пока не отыскал бы искомое». 27 января 1880 года Эдисон получил патент на свою лампу, срок жизни которой был поистине фантастическим — 1200 часов. Чуть позже ученый запатентовал всю систему производства и распространения электроэнергии в Нью-Йорке.
В тот год, когда Эдисон занялся освещением американского мегаполиса, Никола Тесла поступил на философский факультет Пражского университета, но проучился там всего один семестр — на дальнейшее обучение не хватило денег. Затем он поступил в Высшее техническое училище в Граце, где стал изучать электротехнику и начал задумываться о несовершенстве электродвигателей постоянного тока. В 1882 году Эдисон запустил две электростанции постоянного тока — в Лондоне и Нью-Йорке, наладив производство динамо-машин, кабелей, лампочек и осветительных приборов. Спустя два года американский изобретатель создает новую корпорацию — Edison General Electric Company, куда вошли десятки компаний Эдисона, разбросанные по всей Америке и Европе.
В том же году Тесла придумал, как использовать явление вращающегося электромагнитного поля, а значит он мог попытаться сконструировать электродвигатель переменного тока. С этой идеей ученый отправился в парижское представительство Continental Edison Company, но в тот момент компания была занята выполнением крупного заказа — сооружения электростанции для железнодорожного вокзала Страсбурга, в ходе выполнения которого возникли многочисленные ошибки. Теслу отправили спасать ситуацию, и в требуемые сроки электростанция была достроена. Сербский ученый отправился в Париж, чтобы получить обещанную премию в 25 000 долларов, однако компания отказалась выплачивать деньги. Оскорбленный Тесла решил больше не иметь ничего общего с предприятиями Эдисона. Он поначалу хотел даже отправиться в Петербург, ведь Россия славилась в то время своими научными открытиями в области электротехники, в частности изобретениями Павла Николаевича Яблочкова и Дмитрия Александровича Лачинова. Однако, один из работников Континентальной компании уговорил Теслу отправиться в США и дал ему рекомендательное письмо к Эдисону: «Было бы непростительной ошибкой дать возможность уехать в Россию подобному таланту. Я знаю двух великих людей: один из них Вы, второй — этот молодой человек».
Прибыв в Нью-Йорк в 1884 году, Тесла приступает к работе в компании Edison Machine Works в качестве инженера по ремонту двигателей — генераторов постоянного тока. Тесла сразу же поделился с Эдисоном своими мыслями насчет переменного тока, но американского ученого идеи сербского коллеги не вдохновили — он очень неодобрительно отозвался и посоветовал Тесле заниматься на работе сугубо профессиональными делами, а не личными изысканиями. Год спустя Эдисон предлагает Тесле конструктивно улучшить машины постоянного тока и за это обещает премию в 50 тысяч долларов. Тесла тут же принялся за работу и очень скоро предоставил 24 варианта новых машин Эдисона, а также новый коммутатор и регулятор. Эдисон работу одобрил, но деньги платить отказался, пошутив при этом, что эмигрант плохо понимает американский юмор. С этого момента Эдисон и Тесла стали непримиримыми врагами.
На счету Эдисона значилось 1093 патента — такого количества изобретений не было ни у кого в мире. Неутомимый экспериментатор, он однажды провел в лаборатории 45 часов, не желая прерывать опыт. Эдисон был к тому же весьма умелым предпринимателем: все его компании приносили прибыль, правда богатство как таковое его мало интересовало. Деньги были нужны для работы: «Мне не нужны успехи богачей. Мне не нужно ни лошадей, ни яхт, на все это у меня нет времени. Мне нужна мастерская!» Однако, в 1886 году у корпорации Эдисона появился очень мощный конкурент — компания Westinghouse Electric Corporation. Первую 500-вольтную электростанцию переменного тока Джордж Вестингауз запустил в 1886 году в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс.
Так, монополии Эдисона пришел конец, ведь преимущества новых электростанций были очевидны. В отличие от американского изобретателя-любителя, Вестингауз основательно знал физику, поэтому прекрасно понимал слабое звено электростанций постоянного тока. Все изменилось, когда он познакомился с Теслой и его изобретениями, выдав сербу патент на счетчик переменного тока и многофазный электромотор. Это были те самые изобретения, с которыми в свое время Тесла обращался в парижскую компанию Эдисона. Теперь Вестингауз выкупил у сербского ученого в общей сложности 40 патентов и заплатил 32-летнему изобретателю 1 миллион долларов.
В 1887 году в США уже работало более 100 электростанций постоянного тока, однако процветанию компаний Эдисона должен был наступить конец. Изобретатель понимал, что находится на грани финансового краха, а потому решил подать в суд на Westinghouse Electric Corporation за нарушение патентных прав. Однако, иск был отклонен, и тогда Эдисон развернул антипропагандистскую кампанию. Его главным козырем был тот факт, что переменный ток очень опасен для жизни. Вначале Эдисон занялся публичной демонстрацией убийств животных электрическими разрядами, а потом ему подвернулся очень удачный случай: губернатор Нью-Йорка захотел найти гуманный способ казни, альтернативу повешенью — Эдисон тут же заявил, что самой человечной считает смерть от переменного тока. Хотя лично он выступал за отмену смертной казни, тем не менее решить проблему удалось.
Для создания электрического стула Эдисон нанял инженера Гарольда Брауна, который приспособил для карательных целей генератор переменного тока Вестингауза. Ярый оппонент Эдисона был категорически против смертных казней и отказался продавать свое оборудование тюрьмам. Тогда Эдисон купил три генератора через подставных лиц. Вестингауз нанял приговоренным к смерти самых лучших адвокатов, одного из преступников удалось спасти: смертную казнь ему заменили пожизненным заключением. Нанятый Эдисоном журналист опубликовал огромную разоблачительную статью, обвиняя Вестингауза в тех мучениях, которые претерпел казненный.
«Черный пиар» Эдисона принес свои плоды: ему удалось отсрочить поражение, правда ненадолго. В 1893 году Вестингауз и Тесла выиграли заказ на освещение Чикагской ярмарки — 200 тысяч электрических лампочек работали от переменного тока, а спустя три года тандем ученых смонтировал на Ниагарском водопаде первую гидросистему для непрерывного питания переменным током города Баффало. Кстати, электростанции постоянного тока строились в Америке еще 30 лет, вплоть до 1920-х годов. Затем их строительство было прекращено, но эксплуатация продолжалась вплоть до начала XXI века. Тесла и Вестингауз выиграли «войну токов». А Эдисон отреагировал так: «Я никогда не терпел поражений. Я просто нашел 10 000 способов, которые не работают».