Введение

Энергетическая инженерия, также называемая энергетической системотехника, — это подраздел электротехники, который занимается генерацией, передачей, распределением и использованием электрической энергии, а также электрическим оборудованием, подключенным к таким системам. Хотя значительная часть этой области посвящена проблемам трехфасного переменного тока – стандарту для крупномасштабной передачи и распределения электроэнергии во всем мире – существенная часть области связана с преобразованием между переменным и постоянным током, а также разработкой специализированных энергосистем, таких как те, что используются в авиации или для электрифицированных железнодорожных сетей. Энергетическая инженерия в значительной степени опирается на теоретические основы электротехники и машиностроения.

Годы пионерской деятельности

Электричество стало предметом научного интереса в конце XVII века. В течение следующих двух столетий был сделан ряд важных открытий, включая лампу накаливания и вольтов столб. Вероятно, величайшим открытием в области энергетики стало открытие Майкла Фарадея в 1831 году, когда он обнаружил, что изменение магнитного потока индуцирует электродвижущую силу в контуре провода – принцип, известный как электромагнитная индукция, который помогает объяснить работу генераторов и трансформаторов. В 1881 году два электрика построили первую в мире электростанцию в Годалминге (Англия). На станции было два водяных колеса, вырабатывавших переменный ток, который использовался для питания семи дуговых ламп Siemens на 250 вольт и тридцати четырех ламп накаливания на 40 вольт. Однако подача была непостоянной, и в 1882 году Томас Эдисон и его компания, Edison Electric Light Company, разработали первую паровую электростанцию на Перл-стрит в Нью-Йорке. Станция Перл-стрит состояла из нескольких генераторов и изначально обеспечивала электроэнергией около 3000 ламп для 59 клиентов. Электростанция использовала постоянный ток и работала при одном напряжении. Поскольку мощность постоянного тока не могла быть легко преобразована в более высокие напряжения, необходимые для минимизации потерь мощности при передаче, возможное расстояние между генераторами и нагрузкой было ограничено примерно полумилей (800 м). В том же году в Лондоне Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс продемонстрировали первый трансформатор, пригодный для использования в реальной энергосистеме. Практическая ценность трансформатора Голара и Гиббса была продемонстрирована в 1884 году в Турине, где трансформатор использовался для освещения сорока километров (25 миль) железной дороги от одного генератора переменного тока. Несмотря на успех системы, они допустили несколько фундаментальных ошибок. Возможно, самой серьезной была последовательная связь первичных обмоток трансформаторов, из-за чего включение или выключение одной лампы влияло на другие лампы по линии. После демонстрации Джордж Вестингауз, американский предприниматель, импортировал несколько трансформаторов вместе с генератором Siemens и поручил своим инженерам экспериментировать с ними в надежде улучшить их для использования в коммерческой энергетической системе. Один из инженеров Вестингауза, Уильям Стэнли, осознал проблему последовательного соединения трансформаторов вместо параллельного и понял, что изготовление железного сердечника трансформатора в виде замкнутого контура улучшит регулирование напряжения вторичной обмотки. Используя эти знания, он построил первую в мире практическую систему электроснабжения на основе трансформаторов переменного тока в 1886 году в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс. В 1885 году итальянский физик и инженер-электрик Галилео Феррарис продемонстрировал индукционный двигатель, а в 1887 и 1888 годах сербский американский инженер Никола Тесла подал ряд патентов, связанных с энергетическими системами, включая патент на практичный двухфазный индукционный двигатель, который Westinghouse лицензировал для своей системы переменного тока. К 1890 году электроэнергетическая промышленность расцвела, и энергетические компании построили тысячи энергосистем (как постоянного, так и переменного тока) в Соединенных Штатах и Европе – эти сети фактически предназначались для обеспечения электрического освещения. В это время в США возникла ожесточенная конкуренция, известная как «война токов», между Эдисоном и Вестингаузом относительно того, какая форма передачи (постоянный или переменный ток) была лучше. В 1891 году Вестингауз установил первую крупную энергосистему, предназначенную для привода электродвигателя, а не только для обеспечения электрического освещения. Установка питала синхронный двигатель в Теллурайде, штат Колорадо, который запускался индукционным двигателем Тесла. На другой стороне Атлантики Оскар фон Миллер построил трехфазную линию передачи 20 кВ протяженностью 176 км от Лауффена-ам-Неккара до Франкфурта-на-Майне для выставки электротехники во Франкфурте. В 1895 году, после длительного процесса принятия решений, электростанция «Адамс № 1» у Ниагарского водопада начала передавать трехфазный переменный ток в Буффало на 11 кВ. После завершения проекта Ниагарского водопада новые энергосистемы все чаще выбирали переменный ток вместо постоянного тока для передачи электроэнергии.

Энергетическая техника и большевизм

После захвата власти большевиками производство электроэнергии считалось особенно важным. Ленин заявил: "Коммунизм – это Советская власть плюс электрификация всей страны". Впоследствии его изображение появилось на многих советских плакатах, марках и т.д., иллюстрирующих эту идею. План ГОЭЛРО был инициирован в 1920 году как первый большевистский эксперимент в области промышленного планирования, в котором Ленин принимал личное участие. Глеб Кржижановский был еще одной ключевой фигурой, участвовавшей в строительстве электростанции в Москве в 1910 году. Он также был знаком с Лениным с 1897 года, когда они оба состояли в петербургской организации Союза борьбы за освобождение рабочего класса.

Энергетическая инженерия в США

В 1936 году была построена первая коммерческая линия постоянного тока высокого напряжения (HVDC) с использованием ртутных дуговых клапанов между Шенектади и Механиквиллом, штат Нью-Йорк. Ранее постоянного тока высокого напряжения удавалось достичь путем последовательного соединения генераторов постоянного тока (система, известная как система Тури), однако она страдала от серьезных проблем с надежностью. В 1957 году Siemens продемонстрировал первый твердотельный выпрямитель (твердотельные выпрямители сейчас являются стандартом для систем HVDC), однако эта технология начала использоваться в коммерческих энергосистемах только в начале 1970-х годов. В 1959 году Westinghouse продемонстрировал первый выключатель, использующий SF6 в качестве дугогасящей среды. SF6 является значительно превосходящим диэлектриком по сравнению с воздухом, и в последнее время его применение расширилось для производства гораздо более компактного коммутационного оборудования (известного как распределительные устройства) и трансформаторов. Многие важные разработки также стали результатом переноса инноваций из области ИКТ в энергетику. Например, развитие компьютеров позволило более эффективно проводить расчеты режимов нагрузки, что улучшило планирование энергосистем. Достижения в области информационных технологий и телекоммуникаций также позволили значительно улучшить дистанционное управление коммутационным оборудованием и генераторами энергосистемы.

Мощность

Энергетическая инженерия охватывает генерацию, передачу, распределение и использование электроэнергии, а также проектирование широкого спектра сопутствующих устройств. К ним относятся трансформаторы, электрические генераторы, электродвигатели и силовой электроника. Специалисты в области энергетики могут также работать над системами, не подключенными к общей сети. Такие системы называются автономными энергосистемами и могут использоваться вместо сетевых по различным причинам. Например, в удаленных районах для шахты может оказаться дешевле генерировать собственную электроэнергию, чем оплачивать подключение к сети, а в большинстве мобильных приложений подключение к сети просто непрактично.

Поля

Производство электроэнергии охватывает выбор, проектирование и строительство объектов, преобразующих энергию из первичных источников в электрическую энергию. Передача электроэнергии требует разработки высоковольтных линий электропередачи и подстанций для подключения к системам генерации и распределения. Высоковольтные системы постоянного тока являются одним из элементов электрической энергосистемы. Инженерное проектирование систем распределения электроэнергии охватывает элементы энергосистемы от подстанции до конечного потребителя. Защита энергосистемы – это изучение возможных отказов электрической энергосистемы, а также методов их обнаружения и предотвращения. В большинстве проектов инженеру-энергетику необходимо координировать работу со многими другими специалистами, такими как инженеры-строители и инженеры-механики, специалисты по охране окружающей среды, а также юристы и финансисты. Крупные проекты в области энергосистем, такие как крупная электростанция, могут потребовать десятков специалистов по проектированию, помимо инженеров-энергетиков. На большинстве уровней профессиональной практики инженера энергетических систем требуются административные и организационные навыки в той же степени, как и знания в области электротехники.

Профессиональные общества и международные организации по стандартизации

В Великобритании и США профессиональные общества для инженеров-строителей и инженеров-механиков существовали уже давно. Институт инженеров-электриков (IEE) был основан в Великобритании в 1871 году, а AIEE в Соединенных Штатах в 1884 году. Эти общества способствовали обмену знаниями в области электричества и развитию электротехнического образования. На международном уровне Международная электротехническая комиссия (МЭК), основанная в 1906 году, разрабатывает стандарты для электроэнергетики, при этом 20 000 экспертов в области электротехники из 172 стран разрабатывают глобальные спецификации на основе принципа консенсуса.