История электрификации горной промышленности

Борис Заварыкин, 2014

Рассмотрены основные этапы развития теоретических основ электротехники и создания электрической техники. Приведены краткая характеристика горного производства и сведения из истории электрификации горного производства. Рассмотрена энергосистема и элементы, входящие в нее. Изложены основные принципы электроснабжения и схемы электроснабжения горных предприятий, особенности эксплуатации и требования, предъявляемые к элементам электроснабжения на горных работах. Описаны основные электросетевые устройства, входящие в эти схемы, их достоинства и недостатки. Рассмотрены новые электросетевые устройства, которые находят широкое применение на горных работах в настоящее время. Приведена краткая характеристика основных потребителей электроэнергии. Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки (специальности) «Горное дело» (специализация «Электрификация и автоматизация горного производства»).

Введение

Знание истории развития науки и техники дает возможность правильно оценить существующую обстановку в электроэнергетической отрасли, учесть опыт предшествующих поколений и развивать отрасль с учетом этих факторов.

Развитие электроэнергетики ‒ это мощная сила, которая влияет на жизненный уровень людей, изменяет характер общества, выступает причиной социальных перемен и направляет общественное развитие.

Слово «электричество» воспринимается в максимально широком смысле как обширнейшая область применения, включающая свойства, действия, проявление, получение, преобразование, передачу, распределение и, наконец, использование электричества как материала и энергии во всех видах.

Хотя рождение этого слова относят к эпохе античности, лишь к Х1Х в. была сформирована электрическая наука (1800–1830) и создана (1880) электрическая техника. Наука превратилась в теоретические основы электротехники (ТОЭ), а техника ‒ в электротехнику как отрасль промышленности и сферу деятельности, в частности в направление высшего образования.

Электротехника начиналась с изобретений и экспериментов. Так, изобретение А. Вольтом гальванического элемента (1799) и исследования накаливания проводников током (1800) позволили предсказать появление электроосвещения и электротермии, изучать электролиз, гальваностегию и гальванопластику, открыть электрическую дугу (В.В. Петров, 1802) и начать ее применение для освещения, сварки и пайки.

Введение А. Ампером (1820) понятия о направлениях тока наряду с исследованиями Ж. Био и Ф. Савари (1820) по взаимодействию тока и магнитного поля, установление закона Ома (1827) и законов Кирхгофа (1845), работы М. Фарадея по вращению проводника с током (1821) и электромагнитной индукции (1831), исследование Э.Х. Ленцом обратимости электрических машин (1833) привели к созданию сначала прообраза генератора (Фарадей, 1831), а затем и к изготовлению И. Пикси (по заказу Ампера) электромагнитного генератора постоянного и переменного тока (1832), Б.С. Якоби — электродвигателя с непосредственным вращением якоря (1884), Дж. Вулричем — генераторов для питания гальванической ванны (1842).

Самовозбуждение машин, открытое В. Сименсом (1866) вместе с Г. Уайлдом (1863), открытие явления вращающегося магнитного поля, создание системы двухфазного тока Г. Феррарис (1885) и ее развитие (Н. Тесла, 1886), изобретение П.Н. Яблочковым (1876) и И.Ф. Усагиным (1882) трансформатора, М.О. Доливо-Добровольским асинхронного двигателя с «беличей клеткой» (1882) и трехфазного трансформатора с параллельными стержнями (1891), изолирование провода шелком (Дж. Генри, 1827), применение бесшовной резиновой изоляции проводов и кабелей (В. Сименс, 1847) и кабеля со свинцовой оболочкой (Ф. Борель,1879) определили практическую значимость электрических исследований.

Таким образом, открытия в физике и поиски технических решений уже к концу Х1Х в. превратили электротехнику во вполне значимую науку и технику. Завершение формирования основ электротехники отразилось в установлении наименования электрических единиц ( СGS — 1881, SI — 1960), характеристик переменного тока (1889) и обозначений (1893) и, наконец, в образовании (1904) Международной электротехнической комиссии — МЭК. Электротехнический отдел Русского технического общества был создан в 1880 г., тогда же начал выходить журнал «Электричество».

С точки зрения мировой истории именно развитие электротехники и ее экспансия во все отрасли техники, а затем и быта привело к развитию электроэнергетики, которая была сформирована в 1870 — 1930 гг. (до этого считали технико-экономически бесперспективным создание и электродвигателя, и электрического генератора).

В 1924 г. был образован Мировой энергетический комитет (МИРЭК), призванный решать проблемы большой энергетики.

Можно выделить некоторые события становления большой энергетики:

• Г. Уайлд исследовал синхронизацию двух генераторов переменного тока (1868);

• З.Т. Грамм (1873) изготовил локомобильно-электрогенераторную установку для электроснабжения предприятия;

• Ф.А. Пироцкий исследовал передачу электричества, а Д.А. Лачинов теоретически обосновал вопрос о передаче большого количества электричества на большое расстояние;

• на первом Всемирном конгрессе электриков (1881) с докладом «О передаче и распределении электрических токов» выступил М. Депре, который позднее (1882) построил первую линию электропередачи постоянного тока высокого напряжения (2,4 кВ, 57 км).

• М.О. Доливо-Добровольский соорудил (1891) трехфазную ЛЭП с междуфазным напряжением 13 760–15 200 В для передачи 200 кВт (генератор 210 кВА, 86-95 В, повышающий трансформатор 150) на 175 км;

• Дж. Лейн-Фокс (1880) изобрел первые счетчики электроэнергии. В Англии были введены первые правила устройства электроустановок;

• Г. Феррарис (1884) ввел понятие коэффициента мощности, Э. Томпсон (1886) применил защитное заземление;

• А.Э. Кеннели (1886) получил зависимость между сечением проводника и длительно допустимым током нагрузки;

• П. Бушеро установил (1898) конденсаторы для компенсации реактивной мощности;

• В. Петерсен предложил (1917) систему компенсации емкостных токов замыкания на землю;

• область устойчивости параллельной работы энергосистем (1920) основополагающими теоретическими работами определил А.А. Горев;

• В.М. Монтсингер (1930) сформулировал основные закономерности между температурой обмотки, нагрузкой и сроком службы силовых трансформаторов;

• И.А. Сыромятников внедрил (1937) самозапуск электродвигателей при кратковременном перерыве питания.

Предпосылкой бурного развития электрификации послужило создание М.О. Доливо-Добровольским трехфазных синхронных генераторов и трансформаторов. Убедительной демонстрацией преимуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен — Франкфуртская электропередача (1891), сооруженная при активном участии М.О. Доливо-Добровольского. С этого времени возникают мощные электростанции, возрастает напряжение электропередач, возникают новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электродвигатель занимает господствующее положение в системе промышленного электропривода.

В начале ХХ в. процесс электрификации охватывает новые области народного хозяйства, развиваются электротехнология, электротранспорт и др. В современных условиях электрическая энергия широко используется в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, быту, что потребовало теоретического осмысления и математического описания физических процессов, происходящих в электрических машинах, линиях электропередачи, трансформаторах и других электротехнических устройствах.

Рост потребности в постоянном токе (электротранспорт и др.) вызывает необходимость в развитии преобразовательной техники и промышленной электроники. Электротехника становится базой для разработки автоматизированных систем управления энергетическими и производственными процессами. Появление различных электрических машин дало толчок в развитии такой дисциплины, как «Электрический привод». Применение электрического привода и электроснабжения как на горных, так и на других предприятиях, подача потребителям электроэнергии от мощных электрических станций и подстанций называется электрификацией промышленности, являющейся основной энергетической базой комплексной механизации и автоматизации промышленности.