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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Transport d'électricité sur de longues distances. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Une ligne de transport d'électricité (PTL) est l'un des composants du réseau électrique, un système d'équipements énergétiques conçu pour transmettre de l'électricité par le courant électrique. Également une ligne électrique faisant partie d'un tel système qui s'étend au-delà de la centrale électrique ou de la sous-station.
Dans le dernier tiers du XIXe siècle, le problème énergétique est devenu très aigu dans de nombreux grands centres industriels d'Europe et d'Amérique. Les bâtiments résidentiels, les transports, les usines et les ateliers demandaient de plus en plus de carburant, qui devait être amené de loin, ce qui faisait que son prix augmentait constamment. À cet égard, ici et là, ils ont commencé à se tourner vers l'hydroélectricité des rivières, beaucoup moins chère et plus accessible. Dans le même temps, l'intérêt pour l'énergie électrique grandit partout. On sait depuis longtemps que ce type d'énergie est extrêmement pratique : l'électricité est facilement générée et tout aussi facilement convertie en d'autres types d'énergie, facilement transmise à distance, fournie et broyée. Les premières centrales électriques étaient généralement un générateur électrique relié à une machine à vapeur ou à une turbine, et étaient destinées à fournir de l'électricité à des objets individuels (par exemple, un atelier ou une maison, dans les cas extrêmes, un quartier). À partir du milieu des années 80, des centrales électriques au centre de la ville ont commencé à être construites, fournissant du courant principalement pour l'éclairage. (La première centrale électrique de ce type a été construite en 1882 à New York sous la direction d'Edison.) Le courant était généré par de puissantes machines à vapeur. Mais au début des années 90, il est devenu clair que le problème énergétique ne pouvait pas être résolu de cette manière, car la puissance des centrales situées dans la partie centrale de la ville ne pouvait pas être très importante. Ils ont utilisé le même charbon et le même pétrole, c'est-à-dire qu'ils n'ont pas supprimé le problème de la livraison de carburant. Il était moins cher et plus pratique de construire des centrales électriques dans des endroits où les ressources en carburant et en eau étaient bon marché. Mais, en règle générale, les zones où il était possible d'obtenir de l'électricité bon marché en grande quantité étaient éloignées des centres industriels et des grandes villes de dizaines et de centaines de kilomètres. Ainsi, un autre problème se pose - la transmission de l'électricité sur de longues distances. Les premières expériences dans ce domaine remontent au tout début des années 70 du XIXe siècle, lorsqu'elles utilisaient principalement du courant continu. Ils ont montré que dès que la longueur du fil de liaison entre le générateur de courant et le moteur consommant ce courant dépassait plusieurs centaines de mètres, une diminution importante de puissance se faisait sentir dans le moteur du fait des pertes d'énergie importantes dans le câble. Ce phénomène est facile à expliquer si l'on se souvient de l'effet thermique du courant. En traversant le câble, le courant le chauffe. Ces pertes sont d'autant plus importantes que la résistance du fil et l'intensité du courant qui le traverse sont élevées. (La quantité de chaleur dégagée Q est facile à calculer. La formule ressemble à : Q=RI2, où I est la force du courant passant, R est la résistance du câble. Évidemment, la résistance du fil est d'autant plus grande que sa longueur est grande et que sa section est petite. Si dans cette formule nous prenons I=P/U, où P est la puissance de la ligne, et U est la tension actuelle, alors la formule prendra la forme Q=RP2/U2. De cela, on peut voir que les pertes de chaleur seront d'autant plus faibles que la tension est élevée.) Il n'y avait que deux façons de réduire les pertes dans la ligne électrique : soit augmenter la section du fil de transmission, soit augmenter la tension. Cependant, une augmentation de la section du fil augmentait considérablement son coût, car du cuivre assez coûteux était alors utilisé comme conducteur. Beaucoup plus gagnant promis la deuxième voie. En 1882, sous la direction du célèbre ingénieur électricien français Despres, la première ligne électrique à courant continu est construite de Miesbach à Munich, longue de 57 km. L'énergie du générateur était transférée à un moteur électrique qui alimentait la pompe. Dans ce cas, les pertes dans le fil ont atteint 75 %. En 1885, Despres réalise une autre expérience, réalisant une transmission de puissance entre Creil et Paris sur une distance de 56 km. Dans ce cas, une haute tension a été utilisée, atteignant 6 55 volts. Les pertes ont diminué à XNUMX %. Il était évident qu'en augmentant la tension, il était possible d'augmenter considérablement l'efficacité de la ligne, mais pour cela, il était nécessaire de construire des générateurs de courant continu haute tension, ce qui était associé à de grandes difficultés techniques. Même avec cette tension relativement faible, Despres devait constamment réparer son générateur, dans les enroulements duquel une panne se produisait de temps à autre. En revanche, un courant haute tension ne pouvait pas être utilisé, car en pratique (et principalement pour les besoins d'éclairage) une très faible tension, de l'ordre de 100 volts, était nécessaire. Afin d'abaisser la tension continue, il était nécessaire de construire un système de convertisseur complexe: le courant haute tension entraînait le moteur, qui, à son tour, faisait tourner le générateur, ce qui donnait un courant de tension plus faible. Dans le même temps, les pertes ont encore augmenté et l'idée même de transporter de l'électricité est devenue économiquement non rentable. Le courant alternatif par rapport à la transmission semblait plus pratique, ne serait-ce que parce qu'il pouvait être facilement transformé, c'est-à-dire que sa tension pouvait être augmentée puis abaissée dans une très large plage. En 1884, à l'exposition de Turin, Golyar a effectué une transmission de puissance sur une distance de 40 km, élevant la tension dans la ligne à 2 mille volts à l'aide de son transformateur. Cette expérience a donné de bons résultats, mais elle n'a pas conduit à un développement généralisé de l'électrification, car, comme déjà mentionné, les moteurs à courant alternatif monophasés étaient inférieurs aux moteurs à courant continu à tous égards et n'avaient pas de distribution. Ainsi, il n'était pas rentable de transmettre du courant alternatif monophasé sur de longues distances. Au cours des années suivantes, deux systèmes de courants multiphasés ont été développés - le biphasé de Tesla et le triphasé de Dolivo-Dobrovolsky. Chacun d'eux revendiquait une position dominante dans l'électrotechnique. Dans quelle direction doit aller l'électrification ? Au début, personne ne connaissait la réponse exacte à cette question. Dans tous les pays, il y eut une discussion animée sur les avantages et les inconvénients de chacun des systèmes de courants. Tous avaient leurs ardents partisans et leurs féroces adversaires. Une certaine clarté sur cette question n'a été obtenue qu'au cours de la décennie suivante, lorsqu'une percée significative a été réalisée dans le domaine de l'électrification. L'exposition internationale de Francfort de 1891 a joué un rôle énorme à cet égard. A la fin des années 80, la question se pose de construire une centrale électrique à Francfort-sur-le-Main. De nombreuses entreprises allemandes et étrangères ont proposé aux autorités municipales diverses options pour des projets impliquant l'utilisation de courant continu ou alternatif. Le maire de Francfort était clairement dans une position difficile : il ne pouvait pas faire un choix là où même de nombreux spécialistes ne pouvaient pas le faire. Pour clarifier la question controversée, il a été décidé d'organiser une exposition électrique internationale prévue de longue date à Francfort. Son objectif principal était d'être une démonstration de la transmission et de la distribution de l'énergie électrique dans divers systèmes et applications. Toute entreprise pouvait démontrer son succès lors de cette exposition, et une commission internationale des scientifiques les plus autorisés devait soumettre toutes les pièces exposées à une étude approfondie et répondre à la question du choix du type de courant. Au début de l'exposition, diverses entreprises devaient construire leurs lignes de transport d'électricité, et certaines allaient démontrer la transmission du courant continu, d'autres - le courant alternatif (à la fois monophasé et multiphasé). La société AEG s'est vu proposer d'effectuer le transport d'électricité de la ville de Laufen à Francfort sur une distance de 170 km. À cette époque, la distance était énorme et beaucoup considéraient l'idée elle-même comme fantastique. Cependant, Dolivo-Dobrovolsky était si confiant dans le système et les possibilités du courant triphasé qu'il a persuadé le directeur Rothenau d'accepter l'expérience. Lorsque les premiers rapports sur le projet de transmission d'énergie Laufen-Francfort sont apparus, les ingénieurs électriciens du monde entier étaient divisés en deux camps. Certains ont accueilli avec enthousiasme cette décision audacieuse, d'autres l'ont traitée comme une publicité bruyante mais sans fondement. Les pertes d'énergie possibles ont été calculées. Certains pensaient qu'ils seraient à 95 %, mais même les plus grands optimistes ne croyaient pas que l'efficacité d'une telle ligne dépasserait 15 %. Les autorités les plus célèbres dans le domaine de l'électrotechnique, dont le célèbre Despres, émettent des doutes sur la faisabilité économique de cette entreprise. Cependant, Dolivo-Dobrovolsky a réussi à convaincre la direction de l'entreprise de la nécessité d'accepter le poste proposé. Comme il restait très peu de temps avant l'ouverture de l'exposition, la construction de la ligne électrique s'est déroulée dans la hâte. Pendant six mois, Dolivo-Dobrovolsky a dû concevoir et construire un moteur asynchrone de 100 ch d'une puissance sans précédent. et quatre transformateurs pour 150 kilowatts, malgré le fait que la puissance maximale des transformateurs monophasés n'était alors que de 30 kilowatts. Il ne pouvait être question de conceptions expérimentales : il n'y avait tout simplement pas assez de temps pour cela. Même le moteur et les transformateurs construits n'ont pas pu être testés à l'usine, car il n'y avait pas de générateur triphasé de la puissance appropriée à Berlin (le générateur de la centrale de Laufen a été construit à Erlikson). Par conséquent, tous les éléments de la transmission de puissance devaient être mis en marche directement sur l'exposition en présence de nombreux scientifiques, de représentants d'entreprises concurrentes et d'innombrables correspondants. La moindre erreur serait impardonnable. De plus, toute la responsabilité des travaux de conception et d'installation lors de la construction des lignes électriques incombait à Dolivo-Dobrovolsky. En fait, la responsabilité était encore plus grande - après tout, la question était en train d'être tranchée non seulement sur la carrière de Dolivo-Dobrovolsky et le prestige de l'AEG, mais également sur la voie que prendrait le développement de l'électrotechnique. Dolivo-Dobrovolsky comprit parfaitement l'importance de la tâche qui l'attendait et écrivit plus tard : « Si je ne voulais pas apporter une honte indélébile sur mon courant triphasé et l'exposer à une méfiance qui ne pourrait guère se dissiper rapidement par la suite, j'étais obligé de se charger de cette tâche et de la résoudre, sinon les expériences de Laufen-Francfort, et beaucoup de celles qui vont se développer sur leur base, seraient allées dans le sens de l'utilisation d'un courant monophasé. Une petite centrale hydroélectrique a été construite à Laufen en peu de temps. turbine de 300 cv a fait tourner un générateur de courant triphasé, conçu et construit, comme déjà mentionné, à l'usine d'Erlikson. Du générateur, trois fils de cuivre de gros calibre menaient au tableau de distribution. Des ampèremètres, des voltmètres, des fusibles au plomb et des relais thermiques y ont été installés. Du tableau de distribution, trois câbles sont allés à trois transformateurs triphasés de type "prismatique". Les enroulements de tous les transformateurs étaient connectés en étoile. Il était censé effectuer la transmission d'énergie à une tension de 15 25 volts, mais tous les calculs ont été effectués pour un travail à XNUMX XNUMX volts. Pour atteindre une tension aussi élevée, il était prévu d'inclure deux transformateurs à chaque extrémité de la ligne, de sorte que leurs enroulements basse tension soient connectés en parallèle et que les enroulements à tension plus élevée soient connectés en série. À partir des transformateurs de Laufen, une ligne à trois fils a commencé, suspendue sur 3182 poteaux en bois de 8 et 10 m de haut avec une portée moyenne de 60 m. Il n'y avait pas d'interrupteurs sur la ligne. Afin de couper rapidement le courant si nécessaire, deux appareils d'origine ont été fournis. Près de la centrale hydroélectrique de Laufen, deux supports ont été installés à une distance de 2 m l'un de l'autre. Ici, un insert fusible, composé de deux fils de cuivre d'un diamètre de 5 mm, a été inclus dans l'espace de chaque fil de la ligne. À Francfort et à proximité des gares (une partie de la ligne longeait la voie ferrée), des fermetures dites d'angle ont été installées. Chacun d'eux était une barre de métal suspendue par une corde sur un support en forme de L. Il suffisait de tirer sur le cordon et le faisceau est tombé sur les trois fils, créant un court-circuit artificiel, qui a fait griller les fusibles de Laufen et mis toute la ligne hors tension. À Francfort, les fils sont allés à des transformateurs abaisseurs (ils étaient à l'exposition dans un pavillon spécial), ce qui a réduit la tension de sortie à 116 volts. 1000 lampes à incandescence, 16 bougies (55 watts) chacune, étaient connectées à l'un de ces transformateurs, et un gros moteur Dolivo-Dobrovolsky triphasé, situé dans un autre pavillon, était connecté à l'autre. La tension de ligne du générateur à Laufen était de 95 volts. Le transformateur élévateur avait un rapport de transformation de 154. Par conséquent, la tension de fonctionnement dans la ligne électrique était de 14650 volts (95 × 154). A l'époque c'était une très haute tension. Les gouvernements des pays traversés par la ligne électrique ont été alarmés par sa construction. Certains avaient un sentiment de peur avant même les poteaux en bois sur lesquels étaient fixées les tablettes avec des crânes. La possibilité d'une rupture de fil et de sa chute sur les voies ferrées était particulièrement préoccupante. Le comité d'exposition et les constructeurs de la ligne ont dû faire un gros travail d'explication pour convaincre les responsables gouvernementaux que tous les dangers possibles étaient prévus et que la ligne était protégée de manière fiable. L'administration de Baden n'a toujours pas permis de connecter le tronçon de la ligne déjà achevée à la frontière de Baden. Afin de lever les derniers obstacles et de dissiper les doutes des autorités locales, Dolivo-Dobrovolsky a mené une expérience dangereuse mais très convaincante. Lors de la première mise sous tension de la ligne, l'un des fils à la frontière de la Bade et de la Hesse a été artificiellement coupé et est tombé sur les voies ferrées avec un éclair lumineux. Dolivo-Dobrovolsky s'est immédiatement approché et a ramassé le fil à mains nues : il était tellement sûr que la protection qu'il avait conçue fonctionnerait. Cette "méthode" de preuve s'est avérée très illustrative et a levé le dernier obstacle avant de tester la ligne. Le 25 août 1891, à midi, 12 1000 lampes électriques, alimentées par le courant de la centrale hydroélectrique de Laufen, clignotent pour la première fois à l'exposition. Ces lampes encadraient les boucliers et l'arc au-dessus de l'entrée de cette partie de l'exposition, dont les pièces appartenaient à la ligne de transmission Laufen-Francfort. Le lendemain, un moteur de 75 kilowatts a été testé avec succès, qui a alimenté une chute d'eau de dix mètres pour la première fois le 12 septembre. Malgré le fait que la ligne, les machines, les transformateurs, les tableaux aient été fabriqués à la hâte (certains détails, selon Dolivo-Dobrovolsky, ont été pensés en une heure seulement), l'ensemble de l'installation, allumé sans test préalable, à la surprise de certains et pour le plus grand plaisir des autres, ont immédiatement commencé à bien fonctionner. La cascade a fait une impression particulière sur les visiteurs de l'exposition. Cependant, les personnes plus averties en matière de physique et de génie électrique ne se sont pas réjouies ce jour-là devant une immense cascade étincelante de milliers d'éclaboussures de verre, éclairée par des dizaines de lampes multicolores. Leur joie était liée à la compréhension que cette belle cascade artificielle était alimentée par une source située à 170 km sur la rivière Neckar près de la ville de Laufen. Ils ont vu devant eux une solution brillante au problème de la transmission de puissance sur de longues distances. En octobre, une commission internationale a commencé à tester la ligne de transmission Laufen-Francfort. Il a été constaté que les pertes de transmission n'étaient que de 25%, ce qui était un très bon chiffre. En novembre, la ligne a été testée à 25 21 volts. Dans le même temps, son efficacité a augmenté et les pertes ont diminué à XNUMX%. La grande majorité des électriciens du monde entier (plus d'un million de personnes ont visité l'exposition) ont apprécié l'importance de l'expérience Laufen-Francfort. Le courant triphasé a reçu une très haute appréciation, et désormais la voie la plus large vers l'industrie lui a été ouverte. Dolivo-Dobrovolsky est immédiatement devenu l'un des plus grands ingénieurs électriciens du monde et son nom est devenu mondialement connu.
Ainsi, le principal problème énergétique de la fin du XIXe siècle a été résolu - le problème de la centralisation de la production d'électricité et de sa transmission sur de longues distances. Il est devenu clair pour tout le monde la manière dont un courant multiphasé pouvait être amené d'une centrale électrique distante à chaque atelier individuel, puis à une machine individuelle. La conséquence immédiate de l'émergence de la technologie des courants polyphasés a été que dans les années suivantes, dans tous les pays développés, la construction rapide de centrales électriques et l'électrification la plus large de l'industrie ont commencé. Certes, dans les premières années, il était encore compliqué par une lutte acharnée entre des entreprises concurrentes cherchant à introduire l'un ou l'autre type de courant. Ainsi, en Amérique, la société Westinghouse s'est d'abord lancée, qui, après avoir acheté les brevets de Tesla, a tenté de distribuer un courant biphasé. Le triomphe du système à deux phases fut la construction en 1896 d'une puissante centrale hydroélectrique à Niagara Falls. Mais le courant triphasé fut bientôt universellement reconnu comme le meilleur. En effet, un système biphasé nécessitait quatre fils, et un système triphasé seulement trois. En plus d'une plus grande simplicité, il promettait d'importantes économies. Plus tard, Tesla, suivant l'exemple de Dolivo-Dobrovolsky, a proposé de combiner deux fils de retour ensemble. Dans ce cas, les courants se sont ajoutés, et dans le troisième fil un courant circulait environ 1,4 fois plus important que dans les deux autres. Par conséquent, la section de ce fil était 1 fois plus grande (sans cette augmentation de la section, des surcharges se sont produites dans le circuit). En conséquence, les coûts du câblage biphasé s'avéraient toujours supérieurs à ceux du triphasé, tandis que les moteurs biphasés étaient inférieurs aux moteurs triphasés à tous égards. Au XXe siècle, le système triphasé s'est imposé partout. Même la centrale électrique de Niagara a finalement été convertie au courant triphasé. Auteur : Ryzhov K.V.
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