Кіріспе
Фолсом электр станциясы мемлекеттік тарихи паркі – 1895 жылы салынған және АҚШ-тағы алғашқылардың бірі болып табылатын ауыспалы ток (AC) гидроэлектр станциясының сақталған тарихи орны. Фолсом электр станциясы салынар алдында, электр қуаты қажетті жерге жақын орналасқан бу машиналарымен жұмыс істейтін тұрақты ток (DC) генераторлары дерлік барлық электр станцияларында қолданылды. Судың күшімен электр қуатын өндіру және оны алысқа тарату бастапқыда экономикалық тұрғыдан тиімді болмады, себебі өндірілген электр қуаты төмен кернеулі тұрақты токтан тұрды. Ауыспалы ток (AC) ойлап табылғаннан кейін, жаңадан құрастырылған трансформаторларды пайдаланып электр қуатын жоғары кернеуге түрлендіру және осы арқылы оны қажетті жерге экономикалық тұрғыдан тиімді жеткізу мүмкін болды. Пайдалануға әлдеқайда оңай және қауіпсіз төмен кернеулі электр қуатын трансформаторлар арқылы жоғары кернеулі қуатты пайдалану орнына жақын жерде төмен кернеуге түрлендіру арқылы алуға болады. Тұрақты ток трансформаторды кернеуді өзгерту үшін пайдалана алмайды. Фолсом электр станциясы Америка өзенінің ағысының күшін пайдаланып, жаңадан ойлап табылған ауыспалы ток генераторларына қосылған турбиналарын қуаттандырды. Осы станция үш фазалы 60 циклді ауыспалы ток (қазіргі АҚШ-та қолданылатын сияқты) өндірді. Жаңадан құрастырылған трансформаторлар осы қуатты 800 вольттан 11 000 вольтқа дейін көтеріп, 22 миль (35 км) ұзындығындағы тарату желісі арқылы Сакраменто қаласына жіберді. Бұл сол кездегі АҚШ-тағы ең ұзын электр тарату желілерінің бірі болды.
Кіріспе
Сакраментода 11 000 вольтты айнымалы ток қуаты қолданылатын жерге жақын төменгі кернеуге түрлендірілді. Фолсом электр станциясы электр қуатын өндірудің және оны пайдалануға болатын жерге экономикалық тұрғыдан жеткізудің алғашқы маңызды мысалдарының бірі болды. Гидроэлектр энергиясы пайдаланушылардан қашықтықта орналасқанына қарамастан, экономикалық жағынан тиімді қуат көзі екенін көрсетті. Фолсом электр станциясы Сакраментодан 23 миль (37 км) жоғары, Фолсом қаласындағы Американ өзенінде орналасқан.
Тарих
Электр станциясы 1952 жылға дейін жұмыс істеді, содан кейін Америка өзеніндегі алғашқы Фолсом бөгеті жаңа, әлдеқайда үлкен Фолсом бөгетіне орын беру үшін бұзылды. 57 жыл үздіксіз жұмыс істегеннен кейін электр станциясы жабылды. 1902 жылы алғашқы гидроэлектр стансасын сатып алған Pacific Gas and Electric компаниясы, жаңа Фолсом бөгеті мен гидроэлектр стансасы салынғанда, зауытты және оның көптеген жабдықтарын Калифорния штатына сыйға берді. Калифорния штаты осы орынды Калифорнияның тарихи ескерткіші №633 деп белгіледі. Тарихи саябақ 1956 жылы құрылды. Электр станциясы 1981 жылы АҚШ-тың Ұлттық тарихи ескерткіші мәртебесін алды. Ауа-ара электр генераторлары мен жаңадан ойлап табылған трансформаторлар пайда болғанға дейін электр қуатын өндіру үшін тек тұрақты ток генераторларын ғана қолдануға болады еді, және олардың төмен кернеу талаптары электр қуатын экономикалық тұрғыдан тек бірнеше шақырымға ғана жеткізуге мүмкіндік берді. Төмен кернеуде қуатты ұзақ қашықтыққа беру кезінде тым көп қуат жоғалып, бұл тиімсіздікке алып келді. Бұл бастапқы электр станцияларын (сол кезде) әрбір жергілікті ауданда салынған, жергілікті бу өндіретін станциялармен шектеді. Перл-стрит станциясы АҚШ-тағы алғашқы орталық электр станциясы болды. Ол Манхэттеннің орталығында, Перл-стрит, 255-257 мекенжайында, Фултон-стриттен оңтүстікке қарай 15x30 метрлік (50x100 фут) алаңда орналасқан. Ол көмірмен жұмыс істейтін бу машинасымен қоздырылатын бір тұрақты ток генераторымен басталды және 1882 жылдың 4 қыркүйегінде электр энергиясын өндіре бастады, станциядан шамамен 3 км (2 миль) радиуста орналасқан 85 тұтынушыға 400 шамды қамтамасыз етті. Алайда, айнымалы ток (AC) пайда болғаннан кейін, трансформаторларды пайдалану арқылы өндірілген қуатты жоғары кернеуге түрлендіруге және электр станциялары мен тұтынушыларды қажет болған жағдайда жүздеген шақырымға бөліп орналастыруға мүмкіндік болды. Жоғары кернеуді пайдаланып, трансформаторлар соңғы пайдалану үшін кернеуді төмендетуге қолданылды. Өнімді жобалау кезінде кездейсоқ іркілулердің ықтималдығы барынша азайтылды. AC генераторлары мен олармен байланысты су турбиналары соншалықты үлкен болғандықтан, оларды теміржолмен тасымалдау мүмкін болмады және олар 19000 миль (30577 км) қашықтықта, Кейп-Горн айналып, кемемен жеткізілді. 1895 жылдың 13 шілдесінде, төрт айнымалы ток генераторының тек екеуі жұмыс істеп тұрды, осы кезде электр станциясы Сакраментоға 35 км (22 миль) ұзындығындағы тарату желілері арқылы алғашқы электр қуатын жеткізді, бұл оны АҚШ-та ұзақ қашықтыққа су электр қуатын таратуды бастаған алғашқы орындардың біріне айналдырды. Фолсом электр станциясы Ниагара шарлауындағы Адамс электр станциясынан бұрын салынды, ол 1897 жылы жергілікті пайдалану үшін және Нью-Йорк штатының Буффало қаласына AC электр қуатын жеткізді. 1891 жылы Германияның Франкфурт-на-Майне қаласында өткен Халықаралық электротехникалық көрмеде гидроэлектр қуатын ұзақ қашықтыққа AC арқылы берудің алғашқы мысалы көрсетілді. Westinghouse Electric Company және General Electric жақсырақ жабдықтарды әзірлеу және оларды АҚШ-қа әкелу үшін жарысқа түсті.
Сумен жабдықтау
Фолсом гидроэлектр стансасының бастапқы суы 1890 жылдары салынған, 650 фут (198 м) ұзындығы, жоғарғы жағынан 24 фут (7 м), төменгі жағынан 87 фут (27 м) ені және 89 фут (27 м) биіктігі бар American River өзеніндегі бұрылыс бөгетінен алынды. Бөгет су ағынын 4 шақырымдық шығыс арнасына бұрды. Бұл арнаның ені 15 метр, ал тереңдігі 2 метр болатын. Арна өзенмен қатар жүргенімен, көлбеуі өте аз болғандықтан, өзеннен шамамен 85 фут (26 м) биікке көтерілді. Бөгет пен арна 1893 жылы Хорацио Гейтс Ливермор басшылығымен аяқталды, ол бастапқыда құлап жатқан судың күшін тісті ара зауытын қуаттандыру үшін пайдалануды жоспарлаған. Ливермор бөгет пен арнаны салуға көмектесу үшін жақын жердегі Фолсом мемлекеттік түрмесінен шартты түрде жұмыс істейтін тұтқындарды пайдаланды. Арнаның және American River өзенінің геометриясы Фолсом электр стансасына суды American River өзеніне қайтару алдында шамамен 85 фут (26 м) (шамамен 70 фут (21 м) пайдалануға болады) гидравликалық басқыш берді. Бастапқыда осы гидравликалық басқыштың шамамен 35 фут (11 м) ғана қолданылды. Арнадан келген су судан ластануды бөліп алатын су жинағышқа құйылды, содан кейін ол 2 метрлік диаметрі бар төрт үлкен және екі кішкентай су құбырына (пенсток) жіберілді. Барлық су құбырларында турбинаны жөндеу үшін су ағынын тоқтатуға мүмкіндік беретін су қақпалары орнатылған. Сол кездегі ең ірі генераторлардың бірі, төрт үлкен турбинаны қозғалтатын сумен толы төрт су құбыры арқылы қуат алды.
Турбиналар
Төрт үлкен су турбинасы, сол кезге дейін салынған ең ірі турбиналардың бірі, Пенсильвания штатының Йорк қаласындағы С. Морган Смит зауытында жасалған. Екі кішкентай су құбыры және екі тұрақты ток генераторына арналған турбиналар болды. Америка өзенінен ағып келген су төрт үлкен су турбинасы арқылы төрт айнымалы ток генераторын, ал тағы екі турбина кішкентай тұрақты ток генераторларын қуатпен қамтамасыз етті.
Басқарушылар
Төрт үлкен турбина тікелей ауыспалы ток генераторларына қосылды және олардың айналу жылдамдығы центробегтік реттегіш арқылы су ағынын реттеу арқылы басқарылды, нәтижесінде 300 айналым/мин вал айналу жиілігіне қол жеткізілді – тұрақты 60 Гц ток өндіру үшін қажетті көрсеткіш.
Альтернаторлар
Төрт ауыспалы ток генераторы – бұрын жасалған ең қуатты айналмалы 3 фазалық машиналардың бірі. Элиу Томсон жаңадан ойлап тапқан бұл құрылғылардың салмағы әрқайсысы 30 тоннаға жуық (57,887 фунт), ал ұзындығы 8.5 фут (3 метр) болған. Бұл бастапқы ауыспалы ток генераторлары алғашқы жобаларында көптеген тұрақты ток генераторларының компоненттерін пайдаланған. 750 киловатт (1,005 ат күші) қуатты ауыспалы ток генераторлары Нью-Йорктің Шенектади қаласында жаңадан ашылған General Electric зауытында жасалған. Алтернаторлардың айналмалы арматуралары болды, периметрінде 4 дюймдік 216 радиалды ойықтар жасалған. Әр ойыққа екі оқшауланған 3 1/2 фут тікбұрышты индукциялық табан, 216 табаннан тұратын ішкі шеңбер және 216 табаннан тұратын сыртқы шеңбер орналастырылған. Индукциялық табандар бір бағытта екі рет иіліп, өшірілген. Табанның ортасы ротордың алдыңғы жағынан артқы жағына дейін 3 футтық тік бөлігінен тұрады. Табандардың ішкі шеңбері ротордың алдыңғы және артқы жағындағы шағын өткізгіш жалғастырғыштар арқылы сыртқы шеңбермен байланысқан. Ротордың үш фазасы алты тармақты тізбектерге қосылған. Әрбір алты тармақты тізбек оң жаққа қарай жазылған спиральмен ротордың айналасын үш рет айналады. 24 статорлық (айналмайтын) өріс катушкаларының магниттерін ауыспалы ток генераторларымен жабдықтау үшін, қажет болған жағдайда дереу ауыстыру үшін күшті күту режиміндегі тағы бір тұрақты ток генераторымен бірге кішкентай тұрақты ток генераторы қолданылған. Егер бір тұрақты ток генераторы істен шықса немесе күтім қажет болса, екіншісін пайдалануға болады. Барлық төрт ауыспалы ток генераторларының қуаты бір-бірімен байланысты болды, ұзақ мерзімді сұраныс артқанда генераторларды біріктіру жиілікті басқаруды жақсартатыны анықталды, бұл синхронды әрекет арқылы жүзеге асты.
Ауыстырғыш панелі
Клиенттерге синхронды моторлармен реттелетін электр сағаттарын пайдалануға мүмкіндік беру үшін электр стансасының басқару тақтасына "Жиілік" көрсеткіші қосылды. Параллель генераторлар мен электр желісін синхронды ету үшін коммутаторлық панельге синхроскоп қосылды.
Тасымалдау желілері
Фолсом гидроэлектр станциясында генерирленген айнымалы ток (шамамен 4020 ат күші немесе 3 МВт) электр станциясында он екі жаңа (1895 жылы) ауамен салқындатылған трансформаторлар арқылы 11000 вольтқа дейін түрлендірілді. Бұл трансформаторлар Уильям Стэнли, кішінің өнертабысы болды және Сакраментоға он екі жалаңаш #1 AVG мыс сымдары арқылы жіберілді. Сымдар керамикалық изоляторларға бекітілген, екі жиынтыр 12 метрлік (40 фут) қарағай бағаналарға орнатылған көлденең сәулелерге ілінді. Көптеген сымдар төрт тәуелсіз үш фазалық желіні пайдалануға мүмкіндік берді. Бұл жүйенің толығымен тоқтатылмайынша жөндеу, техникалық қызмет көрсету және жаңа орнату жұмыстарын жүргізуге мүмкіндік берді. Электр желілерін орнату үшін бағаналар шамамен 32 метр (105 фут) қашықтықта орнатылды. Электр желілерінің астынан телефон желілері өткізілді. Сакраментоға жеткеннен кейін жоғары кернеулі қуат пайдалану орнына жақын жерге жеткізіліп, пайдалану үшін төмен кернеуге түрлендірілді – бүгінгі күні электр қуаты жеткізіліп, қолданылатын тәсілмен бірдей. 1895 жылға қарай АҚШ-та 900-ге жуық электрлік көлік трамвайлары және шамамен 18000 км (11000 миль) теміржол желісі салынды, және олар сол кезде электр энергиясын ең көп пайдаланатын мекемелердің бірі болды. Электрлік трамвайларда қолданылатын тұрақты ток электр қозғалтқыштары DC генераторларынан бірнеше шақырым қашықтықта ғана қолданылуы мүмкін болды. Тұрақты ток, шектеулеріне қарамастан, өте пайдалы болды. Ауыспалы токты (AC) тұрақты токқа (DC) түрлендіру үшін қолданылатын ротациялық түрлендіргіш, теміржол электрлендіруі үшін AC қуат көзінен пайдаланылды. Зауыттар да көп қуатты пайдаланушылар болып табылды. Ұзақ қашықтыққа беру үшін AC кернеуін жоғары кернеуге дейін көтеру және оларды пайдалану орнына жақын жерлерде төмен кернеуге дейін төмендету жаңа қуат көзіне қол жеткізудің өте тартымды тәсілі болды. Трансформаторлардың дизайнындағы жетістіктер Фолсом электр станциясындағы бастапқы ауамен салқындатылған трансформаторларды 1900 жылы тиімдірек маймен салқындатылған трансформаторлармен ауыстыруға мүмкіндік берді. 1888 жылы Галилео Феррарис және Никола Тесла тәуелсіз түрде енгізген айнымалы ток электрлік индукциялық қозғалтқышы 1895 жылға қарай электр қуатының буды қуат көзі ретінде ығыстыруына мүмкіндік бере бастады. Индукциялық қозғалтқыш айнымалы токты тікелей түрлендірусіз пайдалануға мүмкіндік берді. Алғашқы ауытқушы қолданушылар әртүрлі зауыттар болды, олар әдетте өздерінің бу электр станцияларын ауыстырды. Ауыспалы ток электр қуаты және оның трансформаторлармен төменнен жоғары кернеуге және кері төмен кернеуге оңай түрленуі бүгінде біз көптеген тапсырмалар үшін жүйелі түрде пайдаланатын кең таралған электр желілерін мүмкін етті. 1895 жылдың 9 қыркүйегінде электр станциясы ұсынған жаңа қуат "Ұлы электр карнавалы" кезінде тойланды, Калифорния штатының 45 жылдығын атап өту үшін Сакраменто штатының астанасы мыңдаған шамдармен безендірілді.
Төменгі электр станциясы
1897 жылы Сакраменто қаласының тұрғын үйлері мен қоғамдық көлігінің электр қуатының өсіп келе жатқан қажеттілігін қанағаттандыру үшін, бастапқы нысанның төменгі жағына тағы бір қуатты электр станциясы салынды, онда қосымша 750 киловатттық айныма ток генераторы орналастырылды. Бұл генератор турбинадан шамамен 6 метрлік арқан белбеулі шкив жүйесі арқылы бөлінген. Электр энергиясын қолданудың жаңа салалары мен пайдаланушылардың саны артқан сайын, 1900 жылдардың басында Сакраменто және оған жақын қалалардағы электр энергиясына деген сұраныс, кеңейтілген Фолсом электр станциясының мүмкіндіктерін басып өтті. Солтүстік Калифорнияны қуатпен қамтамасыз ету үшін Юба, Федер және Туолумне өзендері бойында ірі гидроэлектр станциялары мен тоғандар салынды. 1902 жылы Сан-Францискодағы Калифорния газ және электр компаниясы Фолсом электр станциясын сатып алды. 1906 жылы компания Тынық мұхиты газ және электр компаниясы болып қайта құрылғанда, электр станциясы мен су жинағышты жаңадан жабдықтады.