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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Transmissão de eletricidade a longas distâncias. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Uma linha de transmissão de energia (PTL) é um dos componentes da rede elétrica, um sistema de equipamento de energia projetado para transmitir eletricidade por meio de corrente elétrica. Também uma linha elétrica como parte de um sistema que se estende além da usina ou subestação.
No último terço do século XIX, o problema energético tornou-se muito agudo em muitos grandes centros industriais da Europa e da América. Edifícios residenciais, transportes, fábricas e oficinas exigiam cada vez mais combustível, que tinha de ser trazido de longe, pelo que o preço do mesmo crescia constantemente. Nesse sentido, aqui e ali eles começaram a recorrer à hidrelétrica dos rios, que é muito mais barata e acessível. Ao mesmo tempo, o interesse pela energia elétrica crescia em todos os lugares. Há muito se observa que esse tipo de energia é extremamente conveniente: a eletricidade é facilmente gerada e com a mesma facilidade convertida em outros tipos de energia, facilmente transmitida à distância, fornecida e triturada. As primeiras centrais elétricas eram geralmente um gerador elétrico conectado a um motor a vapor ou turbina e destinavam-se a fornecer eletricidade a objetos individuais (por exemplo, uma oficina ou uma casa, em casos extremos, um quarto). A partir de meados da década de 80, começaram a ser construídas centrais elétricas centrais da cidade, fornecendo corrente principalmente para iluminação. (A primeira usina desse tipo foi construída em 1882 em Nova York, sob a direção de Edison.) A corrente era gerada por poderosos motores a vapor. Mas, no início da década de 90, ficou claro que o problema energético não poderia ser resolvido dessa forma, pois a potência das centrais localizadas na parte central da cidade não podia ser muito grande. Eles usaram o mesmo carvão e óleo, ou seja, não eliminaram o problema de entrega de combustível. Era mais barato e prático construir usinas de energia em locais com combustível e recursos hídricos baratos. Mas, via de regra, áreas onde era possível obter eletricidade barata em grandes quantidades foram retiradas de centros industriais e grandes cidades por dezenas e centenas de quilômetros. Assim, surgiu outro problema - a transmissão de eletricidade a longas distâncias. As primeiras experiências nesta área datam do início dos anos 70 do século XIX, quando utilizavam principalmente corrente contínua. Eles mostraram que assim que o comprimento do fio de conexão entre o gerador de corrente e o motor que consome essa corrente ultrapassou várias centenas de metros, uma redução significativa na potência foi sentida no motor devido às grandes perdas de energia no cabo. Este fenômeno é fácil de explicar se lembrarmos do efeito térmico da corrente. Passando pelo cabo, a corrente o aquece. Essas perdas são maiores, quanto maior a resistência do fio e a força da corrente que passa por ele. (A quantidade de calor liberada Q é fácil de calcular. A fórmula se parece com: Q=RI2, onde I é a força da corrente que passa, R é a resistência do cabo. Obviamente, a resistência do fio é maior, quanto maior seu comprimento e menor sua seção transversal. Se nesta fórmula tomarmos I=P/U, onde P é a potência da linha e U é a tensão atual, então a fórmula terá a forma Q=RP2/U2. A partir disso, pode-se ver que a perda de calor será menor, quanto maior a tensão.) Havia apenas duas maneiras de reduzir as perdas na linha de energia: aumentar a seção transversal do fio de transmissão ou aumentar a tensão. No entanto, um aumento na seção transversal do fio aumentou muito seu custo, porque o cobre bastante caro foi usado como condutor. Muito mais vitória prometia a segunda maneira. Em 1882, sob a liderança do famoso engenheiro elétrico francês Despres, foi construída a primeira linha de energia em corrente contínua de Miesbach a Munique, com 57 km de extensão. A energia do gerador foi transferida para um motor elétrico que acionou a bomba. Neste caso, as perdas no fio chegaram a 75%. Em 1885, Despres realizou outra experiência, realizando uma transmissão de energia entre Creil e Paris numa distância de 56 km. Neste caso, foi utilizada uma alta tensão, chegando a 6 mil volts. As perdas caíram para 55%. Era óbvio que, aumentando a tensão, era possível aumentar significativamente a eficiência da linha, mas para isso era necessário construir geradores de corrente contínua de alta tensão, o que estava associado a grandes dificuldades técnicas. Mesmo com essa tensão relativamente baixa, Despres tinha que consertar constantemente seu gerador, nos enrolamentos do qual ocorria uma avaria de vez em quando. Por outro lado, uma corrente de alta tensão não poderia ser usada, pois na prática (e principalmente para necessidades de iluminação) era necessária uma tensão muito pequena, cerca de 100 volts. Para diminuir a tensão CC, foi necessário construir um sistema conversor complexo: a corrente de alta tensão acionou o motor, que, por sua vez, girou o gerador, o que deu uma corrente de tensão mais baixa. Ao mesmo tempo, as perdas aumentaram ainda mais, e a própria ideia de transmitir eletricidade tornou-se economicamente não lucrativa. A corrente alternada parecia mais conveniente em termos de transmissão, mesmo porque poderia ser facilmente transformada, ou seja, sua tensão poderia ser aumentada e depois diminuída em uma faixa muito ampla. Em 1884, na exposição de Turim, Golyar realizou a transmissão de energia por uma distância de 40 km, elevando a tensão na linha para 2 mil volts com a ajuda de seu transformador. Essa experiência deu bons resultados, mas não levou a um desenvolvimento generalizado da eletrificação, pois, como já mencionado, os motores CA monofásicos eram inferiores aos motores CC em todos os aspectos e não tinham distribuição. Assim, não era rentável transmitir corrente alternada monofásica em longas distâncias. Nos anos seguintes, dois sistemas de correntes multifásicas foram desenvolvidos - o bifásico de Tesla e o trifásico de Dolivo-Dobrovolsky. Cada um deles reivindicou uma posição dominante na engenharia elétrica. Qual caminho deve seguir a eletrificação? No início, ninguém sabia a resposta exata para essa pergunta. Em todos os países houve uma discussão animada sobre as vantagens e desvantagens de cada um dos sistemas de correntes. Todos eles tinham seus apoiadores ardentes e oponentes ferozes. Alguma clareza sobre esta questão foi alcançada apenas na década seguinte, quando um avanço significativo foi feito na eletrificação. A Exposição Internacional de Frankfurt de 1891 desempenhou um grande papel nisso. No final da década de 80, surgiu a questão da construção de uma central elétrica em Frankfurt am Main. Muitas empresas alemãs e estrangeiras ofereceram às autoridades da cidade várias opções para projetos envolvendo o uso de corrente contínua ou alternada. O prefeito de Frankfurt estava claramente em uma posição difícil: ele não podia fazer uma escolha onde mesmo muitos especialistas não podiam fazê-lo. Para esclarecer a questão controversa, foi decidido organizar uma exposição elétrica internacional há muito planejada em Frankfurt. Seu principal objetivo era ser uma demonstração da transmissão e distribuição de energia elétrica em diversos sistemas e aplicações. Qualquer empresa poderia demonstrar seu sucesso nesta exposição, e uma comissão internacional dos cientistas mais conceituados teve que submeter todas as exposições a um estudo aprofundado e responder à questão da escolha do tipo de corrente. No início da exposição, várias empresas tiveram que construir suas linhas de transmissão de energia, e algumas iam demonstrar a transmissão de corrente contínua, outras - corrente alternada (monofásica e multifásica). A empresa AEG foi solicitada a realizar o transporte de eletricidade da cidade de Laufen para Frankfurt numa distância de 170 km. Naquela época era uma distância enorme, e muitos consideravam a ideia em si fantástica. No entanto, Dolivo-Dobrovolsky estava tão confiante no sistema e nas possibilidades da corrente trifásica que convenceu o diretor Rothenau a concordar com o experimento. Quando surgiram os primeiros relatórios sobre o projeto de transmissão de energia Laufen-Frankfurt, os engenheiros elétricos de todo o mundo foram divididos em dois campos. Alguns acolheram com entusiasmo essa decisão ousada, outros a trataram como um anúncio barulhento, mas sem fundamento. As possíveis perdas de energia foram calculadas. Alguns acreditavam que seriam 95%, mas mesmo os maiores otimistas não acreditavam que a eficiência de tal linha fosse superior a 15%. As autoridades mais famosas no campo da engenharia elétrica, incluindo o famoso Despres, manifestaram dúvidas sobre a viabilidade econômica desse empreendimento. No entanto, Dolivo-Dobrovolsky conseguiu convencer a direção da empresa da necessidade de assumir o cargo oferecido. Como faltava pouco tempo para a abertura da exposição, a construção da linha de transmissão ocorreu com muita pressa. Durante seis meses, Dolivo-Dobrovolsky teve que projetar e construir um motor assíncrono de 100 hp de potência sem precedentes. e quatro transformadores para 150 quilowatts, apesar de a potência máxima dos transformadores monofásicos ser então de apenas 30 quilowatts. Não poderia haver dúvida de projetos experimentais: simplesmente não havia tempo suficiente para isso. Mesmo o motor e os transformadores construídos não puderam ser testados na usina, pois não havia gerador trifásico de potência adequada em Berlim (o gerador da estação Laufen foi construído em Erlikson). Consequentemente, todos os elementos de transmissão de energia tiveram que ser ligados diretamente na exposição na presença de muitos cientistas, representantes de empresas concorrentes e inúmeros correspondentes. O menor erro seria imperdoável. Além disso, toda a responsabilidade pelo trabalho de projeto e instalação durante a construção das linhas de energia caiu sobre os ombros de Dolivo-Dobrovolsky. Na verdade, a responsabilidade era ainda maior - afinal, a questão estava sendo decidida não apenas sobre a carreira de Dolivo-Dobrovolsky e o prestígio da AEG, mas também sobre qual caminho tomaria o desenvolvimento da engenharia elétrica. Dolivo-Dobrovolsky compreendeu perfeitamente a importância da tarefa diante dele e escreveu mais tarde: “Se eu não quisesse trazer vergonha indelével à minha corrente trifásica e sujeitá-la à desconfiança, que dificilmente poderia se dissipar rapidamente obrigados a assumir essa tarefa e resolvê-la, caso contrário, os experimentos de Laufen-Frankfurt e muito do que seria desenvolvido posteriormente com base neles teriam seguido o caminho do uso de uma corrente monofásica. Uma pequena central hidrelétrica foi construída em Laufen em pouco tempo. turbina de 300 cv rodou um gerador de corrente trifásico, projetado e construído, como já mencionado, na fábrica de Erlikson. Do gerador, três fios de cobre grossos levavam ao quadro de distribuição. Amperímetros, voltímetros, fusíveis de chumbo e relés térmicos foram instalados aqui. Do quadro de distribuição, três cabos foram para três transformadores trifásicos do tipo "prismático". Os enrolamentos de todos os transformadores foram conectados em uma estrela. Ele deveria conduzir a transmissão de energia a uma tensão de 15 mil volts, mas todos os cálculos foram feitos para trabalhar em 25 mil volts. Para atingir uma tensão tão alta, foi planejado incluir dois transformadores em cada extremidade da linha, de modo que seus enrolamentos de baixa tensão fossem conectados em paralelo e os enrolamentos de tensão mais altos fossem conectados em série. Dos transformadores de Laufen partiu uma linha de três fios, suspensa em 3182 postes de madeira de 8 e 10 m de altura com vão médio de 60 m. Não havia interruptores na linha. Para desligar rapidamente a corrente, se necessário, foram fornecidos dois dispositivos originais. Perto da central hidroelétrica de Laufen, foram instalados dois suportes a uma distância de 2 m um do outro. Aqui, um inserto fusível, composto por dois fios de cobre com diâmetro de 5 mm, foi incluído na folga de cada fio da linha. Em Frankfurt e perto das estações ferroviárias (parte da linha corria ao longo da linha férrea), foram instalados os chamados fechamentos de canto. Cada um deles era uma barra de metal suspensa por uma corda em um suporte em forma de L. Foi o suficiente para puxar o fio, e o feixe caiu em todos os três fios, criando um curto-circuito artificial, que fez com que os fusíveis em Laufen queimassem e toda a linha fosse desenergizada. Em Frankfurt, os fios foram para transformadores abaixadores (estavam na exposição em um pavilhão especial), o que reduziu a tensão de saída para 116 volts. 1000 lâmpadas incandescentes, 16 velas (55 watts) cada, foram conectadas a um desses transformadores, e um grande motor trifásico Dolivo-Dobrovolsky, localizado em outro pavilhão, foi conectado ao outro. A tensão de linha do gerador em Laufen era de 95 volts. O transformador elevador teve uma relação de transformação de 154. Portanto, a tensão de operação na linha de energia foi de 14650 volts (95×154). Para aquela época era uma tensão muito alta. Os governos das terras por onde passava a linha de energia ficaram alarmados com sua construção. Alguns tinham uma sensação de medo mesmo diante de postes de madeira, nos quais foram fixadas tabuletas com caveiras. De particular preocupação era a possibilidade de quebra de fio e sua queda nos trilhos da ferrovia. O comitê de exposição e os construtores da linha tiveram que fazer muito trabalho explicativo para convencer os funcionários do governo de que todos os perigos possíveis estavam previstos e que a linha estava protegida de forma confiável. A administração de Baden ainda não permitia conectar o trecho da linha já concluída na fronteira de Baden. Para remover os últimos obstáculos e dissipar as dúvidas das autoridades locais, Dolivo-Dobrovolsky realizou um experimento perigoso, mas muito convincente. Quando a linha foi energizada pela primeira vez, um dos fios na fronteira de Baden e Hesse foi cortado artificialmente e caiu nos trilhos da ferrovia com um flash brilhante. Dolivo-Dobrovolsky imediatamente se aproximou e pegou o fio com as próprias mãos: ele tinha tanta certeza de que a proteção que ele havia projetado funcionaria. Esse "método" de prova acabou sendo muito ilustrativo e removeu o último obstáculo antes de testar a linha. Em 25 de agosto de 1891, às 12 horas, 1000 lâmpadas elétricas, alimentadas pela corrente da usina hidrelétrica de Laufen, acenderam pela primeira vez na exposição. Essas lâmpadas emolduravam os escudos e o arco acima da entrada daquela parte da exposição, cujas peças pertenciam à linha de transmissão Laufen-Frankfurt. No dia seguinte, um motor de 75 quilowatts foi testado com sucesso, que acionou uma cachoeira de dez metros pela primeira vez em 12 de setembro. Apesar de a linha, as máquinas, os transformadores, os quadros terem sido feitos às pressas (alguns detalhes, segundo Dolivo-Dobrovolsky, foram pensados em apenas uma hora), toda a instalação, ligada sem testes preliminares, para surpresa de alguns e para deleite de outros, imediatamente começou a funcionar bem. A cachoeira causou uma impressão especial nos visitantes da exposição. No entanto, as pessoas mais experientes em matéria de física e engenharia elétrica se alegraram naquele dia não com uma enorme cachoeira cintilante com milhares de respingos de vidro, iluminada por dezenas de lâmpadas multicoloridas. Sua alegria estava ligada ao entendimento de que esta bela cachoeira artificial é alimentada por uma nascente localizada a 170 km de distância no rio Neckar, perto da cidade de Laufen. Eles viram diante deles uma solução brilhante para o problema da transmissão de energia por longas distâncias. Em outubro, uma comissão internacional começou a testar a linha de transmissão Laufen-Frankfurt. Verificou-se que as perdas de transmissão foram de apenas 25%, o que foi um número muito bom. Em novembro, a linha foi testada em 25 volts. Ao mesmo tempo, sua eficiência aumentou e as perdas caíram para 21%. A grande maioria dos eletricistas de todo o mundo (mais de um milhão de pessoas visitaram a exposição) apreciou a importância do experimento Laufen-Frankfurt. A corrente trifásica recebeu uma avaliação muito alta e, a partir de agora, o caminho mais amplo para a indústria foi aberto para ela. Dolivo-Dobrovolsky imediatamente se tornou um dos principais engenheiros elétricos do mundo, e seu nome se tornou mundialmente famoso.
Assim, o principal problema energético do final do século XIX foi resolvido - o problema de centralizar a produção de eletricidade e transmiti-la a longas distâncias. Ficou claro para todos a maneira pela qual uma corrente multifásica poderia ser trazida de uma usina distante para cada oficina individual e depois para uma máquina individual. A consequência imediata do surgimento da tecnologia de corrente multifásica foi que nos anos seguintes, em todos os países desenvolvidos, começou a construção rápida de usinas e a eletrificação mais ampla da indústria. É verdade que nos primeiros anos ainda era complicado por uma luta feroz entre empresas concorrentes que buscavam introduzir um ou outro tipo de corrente. Assim, na América, a empresa Westinghouse assumiu pela primeira vez, que, tendo comprado as patentes de Tesla, tentou distribuir uma corrente bifásica. O triunfo do sistema bifásico foi a construção em 1896 de uma poderosa usina hidrelétrica nas Cataratas do Niágara. Mas a corrente trifásica logo foi universalmente reconhecida como a melhor. De fato, um sistema bifásico exigia quatro fios e um sistema trifásico apenas três. Além de maior simplicidade, prometia uma economia de custos significativa. Mais tarde, Tesla, seguindo o exemplo de Dolivo-Dobrovolsky, propôs combinar dois fios de retorno. Neste caso, as correntes foram somadas, e no terceiro fio fluiu uma corrente aproximadamente 1,4 vezes maior que nos outros dois. Portanto, a seção transversal deste fio foi 1 vezes maior (sem esse aumento na seção transversal, ocorreram sobrecargas no circuito). Como resultado, os custos para a fiação bifásica ainda eram mais do que para os trifásicos, enquanto os motores bifásicos eram inferiores aos trifásicos em todos os aspectos. No século 4, o sistema trifásico foi estabelecido em todos os lugares. Até a usina de Niagara acabou sendo convertida em corrente trifásica. Autor: Ryzhov K.V.
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