История электротехники

Коллектив авторов

Монографии и учебники по ТЭ отражали и систематизировали технические и научные достижения в области электротехники и физико-математических дисциплин в России и за ее пределами и в свою очередь служили фундаментом для дальнейшего развития электротехники. Вместе с тем развитие прикладных аспектов электротехники приводило к возникновению все новых и новых проблем, входящих в компетенцию ТЭ. На начальном этапе развития электротехники быстрее появлялись новые области приложения физических открытий, а следовательно, и новые отрасли электротехники. В последующем наблюдалась обратная картина, когда окрепшие и самостоятельно развивающиеся отрасли электротехники ставили перед наукой новые задачи, побуждающие развитие ТЭ. Установление основных законов электродинамики, т.е. взаимодействия токов и магнитных полей, привело к изобретению электрической связи, электрических машин и трансформаторов. В свою очередь, анализ процессов в электрических цепях способствовал оптимальному проектированию электрических сетей и линий электропередачи. Открытие электромагнитных волн дало толчок к изобретению радио и радиотелефонной связи, космической связи и навигации и т.п. Широкое применение электрических цепей и систем переменного тока, содержащих трансформаторы, электрические машины,

двигатели и другие элементы, в которых происходило преобразование электрической энергии, поставило новые задачи перед ТЭ. Началось интенсивное развитие теории электрических цепей переменного тока, теории симметричных составляющих, переходных процессов и др. В этой связи особо значительным как в инженерном отношении, так и в отношении развития методов расчета электрических цепей было введение метода представления синусоидальных токов и напряжений в виде комплексных величин американским инженером Ч.П. Штейнмецем. Об этом методе Ч.П. Штейнмец докладывал в 1893 г. на Международном электротехническом конгрессе.

Исследования токов коротких замыканий при включении и выключении нагрузки привели к разработке новых методов расчета переходных процессов во всех электротехнических установках и в других областях инженерной практики, например при расчете гидравлических процессов.

Следует особо отметить вклад в развитие методов ТЭ английского физика Оливера Хевисайда (1850–1925 гг.). Подход О. Хевисайда к исследованию электромагнитных явлений — пример для специалиста в области ТЭ. Он стремился гармонически сочетать глубину понимания физического процесса и математических методов его представления и расчета для получения данных, количественно характеризующих эти процессы. В ТЭ он ввел много новых понятий (функцию Хевисайда, определяющую современное понятие единичной функции, импульсной функции и др.) и методов расчета. Большое внимание было уделено развитию раздела математики, необходимого для расчета переходных процессов в электрических цепях. Исследуя процесс установления тока в проволоке (сопротивление) при ее включении под действие постоянного напряжения, он пришел в выводу, что в процессе установления тока (по современной терминологии, в течение переходного процесса) он течет «по слоям, сильный на поверхности провода, слабый в середине» и определил зависимость этого явления от скорости изменения тока, т.е. предсказал явление поверхностного эффекта и объяснил его, введя понятие, аналогичное вектору Умова — Пойнтинга почти одновременно с Д.Г. Пойнтингом. Для расчета переходных процессов он использовал операторы, преобразующие дифференциальные уравнения в алгебраические. Подходы физика О. Хевисайда к исследованию электромагнитных процессов были близки к таковым в ТЭ в отношении доведения исследований до количественных данных. И то обстоятельство, что Хевисайд изобретал математические методы, отчасти разработанные задолго до него математиками, являлось отражением основного пробела в развитии ТЭ на начальном этапе — недостаточного использования достижений математики.

4.4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА В СССР

Масштабное развитие ТЭ в СССР неразрывно связано с Октябрьской социалистической революцией, которая поставила перед народом грандиозные задачи развития экономики и науки. Интересно отметить, что чуть более месяца спустя после Октябрьской революции в декабре 1917 г. на конференции фабрично-заводских комитетов Урала была поставлена задача «разработать план развития электротехнической индустрии с целью использования силы текущих вод». В те же годы техническая общественность выдвигала многочисленные проекты электрификации. Так, например, Русское техническое общество ставило вопрос о проведении изысканий в районе Самарской дуги для постройки мощной гидростанции. Электрификация страны означала перевод народного хозяйства на уровень, определяемый проникновением электротехники во все области жизни современного общества, поскольку только на этой основе возможно ускоренное и эффективное развитие производительных сил, новых технологий, улучшение условий труда и повышение жизненного уровня населения. С точки зрения опыта, накопленного к концу XX в., все это выглядит самоочевидным, однако в то время такой выбор для создания плана долговременного развития в масштабе целой страны был поистине революционным. В СССР своевременно оценили и сделали государственной техническую политику, основанную на максимальном использовании особых свойств ЭМП, а именно высокой степени упорядоченности его внутреннего движения, отсутствии массы покоя и в связи с этим предельной скорости движения. Эти свойства обеспечивают преобразование ЭМП в другие формы с высоким КПД и позволяют их эффективно применять при электрификации не только для выработки, передачи и преобразования энергии в энергетике, но и для управления большими потоками энергии, передачи сигналов, создании быстродействующих информационных систем, ЭВМ и дискретной техники и др.

Опыт нашей, в то время отсталой, страны показал, что целенаправленную электрификацию эффективнее осуществлять в рамках единого в масштабе всей страны плана. Для создания и осуществления такого плана в 1920 г. была создана комиссия, возглавляемая Г.М. Кржижановским, в состав которой вошли крупные специалисты России, в том числе представители ТЭ В.Ф. Миткевич, М.А. Шателен, К.А. Круг, М.К. Поливанов, А.А. Горев, А.А. Смуров и др. Этот план получил название Плана государственной электрификации России (ГОЭЛРО), опыт которого послужил основой планового развития СССР. Реализация плана ГОЭЛРО привела к созданию новых отраслей промышленности, в частности энергомашиностроительной, электротехнической и приборостроительной. Для научного обеспечения планов были созданы многочисленные исследовательские и проектные институты, организации для проектирования технологического обеспечения и заводы для изготовления многочисленного оборудования для электрических станций, линий электропередачи и потребителей электрической энергии. Были созданы многочисленные кафедры и научные лаборатории в высших учебных заведениях, что позволило обеспечить инженерными кадрами эти новые отрасли.

Реализация планов электрификации в области ТЭ основывалась на научном потенциале и результатах исследований отечественных ученых. При создании уникальной по протяженности и размерам сети высоковольтных и сверхвысоковольтных линий передачи электрической энергии, основы единственной

в мировой практике единой электроэнергетической системы, широко применяется выдвинутая в 1910 г. В.Ф. Миткевичем идея расщепления проводов фаз для подавления коронного разряда. Создание высоковольтной техники для подстанций и линий передачи с научной точки зрения было подкреплено наличием в лабораториях высших школ изобретенным В.К. Аркадьевым и Н.Н. Баклиным в 1914 г. генераторов импульсных напряжений. Имелись значительные результаты в исследованиях по теории длинных линий, измерительной технике, в том числе высоковольтной, и другим аспектам теории в области ТЭ, которые были представлены в докладах М.А. Шателена, А.А. Чернышева, А.А. Горева и др. на восьмом Всероссийском электротехническом съезде на рубеже 1912–1913 гг. Однако для реализации планов электрификации необходимо было развитие не только исследовательской, но и технической базы страны.

Приступая к реализации плана ГОЭЛРО, наши инженеры были вынуждены в значительной мере ориентироваться на технический опыт развитых в промышленном отношении стран вследствие слабой промышленной базы России и особенно ее электротехнического сектора. В одной из технических записок, характеризующих то время, говорится: «Только собственный опыт может помочь русским техникам в правильном решении всей совокупности всех сложных вопросов техники высоких напряжений и высоковольтных передач, и только при наличии собственных опытных данных возможно будет для будущих высоковольтных сооружений вполне сознательно и с полным основанием установить надлежащие и наивыгодные формы, которые пока еще только выявляются, но окончательно еще не определены». Несмотря на то что именно в области техники высоких напряжений российские ученые имели большой научный задел, строительство на практике первой высоковольтной линии электропередачи напряжением 110 кВ, показало недостаточность конкретных данных, столь необходимых при выборе конструкций, конструкционных материалов и их свойств. Для решения этих проблем уже в 1921 г. было принято решение основать Государственный экспериментальный электротехнический институт, впоследствии Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ им. В.И. Ленина). Его основателем и первым руководителем стал видный специалист в области ТЭ К.А. Круг — создатель Московской школы теоретической электротехники.

Как уже отмечалось ранее, передача энергии большой мощности на дальние расстояния возможна только при высоких напряжениях. В противном случае, как это стало ясно из первых теоретических исследований Д.А. Лачинова, КПД передачи оказывается недостаточно высоким. По этой причине выявилась необходимость в создании новых лабораторий именно техники высоких напряжений для ответа на конкретные запросы проектных и строительных организаций. В этой области большие работы были успешно выполнены А.А. Смуровым (Ленинград) и Л.И. Сиротинским (Москва), участниками строительства наших первых высоковольтных сооружений. Результаты, касающиеся расчетов электрических полей, приведены во многих разделах монографий указанных выше авторов. Здесь уместно отметить, что строительство высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) вынуждало развивать не только разделы ТЭ, связанные с расчетами электростатических полей, но также разделы, связанные с проникновением ЭМП в нелинейные анизотропные среды. При строительстве ЛЭП возникла необходимость повышать механическую прочность проводов ЛЭП на разрыв при помощи использования двухслойных сталеалюминевых проводов, токонесущие алюминиевые жилы которых навивались на внутренний стальной трос. Такая конструкция породила задачу расчета электрических параметров таких проводов вследствие специфического проявления поверхностного эффекта в них из-за нелинейных магнитных свойств стального троса. При решении этой задачи будущий академик АН СССР Л.Р. Нейман (1902–1975 гг.) в середине 30-х годов создал и развил теорию поверхностного эффекта в ферромагнитных средах, важного раздела ТЭ.

С развитием энергосистем возникла необходимость разработки специфических разделов теории электрических цепей и длинных линий для учета инженерных аспектов использования результатов теоретических исследований. Для таких систем жизненно важными стали проблемы перенапряжений и токов коротких замыканий при коммутации электрической цепи. В маломощных цепях при коротких замыканиях длительность протекания и значения токов просто ограничиваются при помощи плавких предохранителей или автоматов. Однако при большой мощности энергосистем приходится использовать специальную технику отключения, обеспечивающую допустимые значения перенапряжений и сверхтоков, и методы ТЭ должны были позволять рассчитать эти величины с точностью, удовлетворяющей требованиям конструкторов аппаратов и систем защиты. Исходя из особенностей протекания переходных процессов теория и разработанные на ее основе методы должны были формулировать требования и рекомендации конструкторам аппаратуры, предлагать методы расчета протекающих через выключатели токов и способы ограничения максимальных их значений.

Эти требования усложнялись необходимостью учета влияния переходных процессов на динамику поведения множества параллельно работающих генераторов с точки зрения устойчивости их работы. Развитие энергосистем, связанных длинными линиями электропередачи, привело к тому, что электрические станции с многочисленными генераторами, объединенные в общую сеть, вынуждены были работать параллельно. Выяснилось, что при параллельной работе нескольких станций переменного тока необходимо строго соблюдать условие синхронности вращения генераторов, поскольку его нарушение приводит систему к режиму, подобному режиму короткого замыкания. В этой связи возникла проблема выработки условий, необходимых для синхронной работы и устойчивости системы при аномальных режимах, вызванных коммутациями, короткими замыканиями и перегрузками в сети.

Изучению вопросов устойчивости параллельной работы электростанций, динамических режимов их работы и созданию соответствующего теоретического фундамента посвящены многочисленные работы Н.Н. Боголюбова, А.А. Горева, П.С. Жданова, С.А. Лебедева, Л.Р. Неймана и др. Актуальность этих проблем в СССР была постоянной в связи с непрерывным усложнением конфигурации, ростом мощности Единой электроэнергетической системы СССР (ЕЭС), появлением новых типов и классов ЛЭП. Изучение динамических режимов стало особенно важным в связи со строительством новых гидроэлектростанций огромной для того времени мощности после окончания Великой Отечественной войны. Созданная к тому времени научная школа ТЭ была способна решать сложнейшие теоретические и технические задачи в применении к системам, связанным дальними линиями электропередачи.