Введение

Folsom Powerhouse State Historic Park – это историческое место, сохраняющее гидроэлектростанцию переменного тока 1895 года – одну из первых в Соединенных Штатах. До строительства электростанции Фолсом почти все электростанции использовали генераторы постоянного тока, приводимые в действие паровыми двигателями, расположенными в пределах нескольких километров от места потребления энергии. Использование энергии потока воды для генерации гидроэлектроэнергии и последующая передача ее на большие расстояния к месту использования изначально были экономически невыгодны, пока вырабатываемая электроэнергия была низковольтным постоянным током. Изобретение переменного тока позволило преобразовывать электрическую энергию в высокое напряжение с помощью недавно изобретенных трансформаторов и, следовательно, экономически эффективно передавать ее на большие расстояния туда, где она требовалась. Более низкое напряжение, которое намного проще и безопаснее в использовании, можно было легко получить, используя трансформаторы для понижения высокого напряжения вблизи места потребления. Постоянный ток не может использовать трансформаторы для изменения напряжения. Электростанция Фолсом, используя часть потока реки Американ-Ривер для питания турбин, соединенных с недавно изобретенными генераторами переменного тока, вырабатывала трехфазный переменный ток частотой 60 Гц (такой же, как используется сегодня в Соединенных Штатах), который повышался с помощью недавно изобретенных трансформаторов с 800 вольт до 11 000 вольт и передавался в Сакраменто по линии электропередачи длиной 22 мили (35 км) – одной из самых длинных линий электропередачи в Соединенных Штатах на тот момент.

Введение

В Сакраменто электроэнергия переменного тока напряжением 11 000 вольт понижалась до более низкого напряжения вблизи мест ее использования. Folsom Powerhouse был одним из первых примеров масштабной выработки электроэнергии и ее экономичной доставки к потребителям. Гидроэлектроэнергия доказала свою экономическую целесообразность как источник энергии, несмотря на значительное расстояние между электростанцией и пользователями. Folsom Powerhouse расположен в 37 км выше Сакраменто на реке Американ-Ривер, в городе Фолсом.

История

Электростанция работала до 1952 года, когда первоначальная плотина Фолсом на реке Американ-Ривер была разрушена, чтобы освободить место для новой, гораздо большей плотины Фолсом. Электростанцию закрыли после 57 лет непрерывной работы. Компания Pacific Gas and Electric, купившая первоначальную гидроэлектростанцию в 1902 году, передала станцию и большую часть оборудования штату Калифорния после строительства новой плотины Фолсом и гидроэлектростанции. Штат Калифорния присвоил этому месту статус Калифорнийского исторического памятника № 633. Исторический парк был основан в 1956 году. В 1981 году электростанция получила статус Национального исторического памятника США. До изобретения генераторов переменного тока и недавно изобретенных трансформаторов для выработки электроэнергии можно было использовать только генераторы постоянного тока, которые из-за низкого напряжения были ограничены в экономически выгодной передаче энергии на расстояние всего в несколько миль. При низком напряжении потери при передаче были слишком велики для практичной передачи энергии на большие расстояния. Это означало, что первые электростанции были ограничены (в то время) местными парогенераторными установками, построенными непосредственно в каждом районе. Перл-стрит-станция была первой центральной электростанцией в Соединенных Штатах. Она располагалась по адресу Перл-стрит, 255-257, в центре Манхэттена на участке площадью 15 на 30 метров, к югу от Фултон-стрит. Сначала она использовала один генератор постоянного тока, приводимый в действие паровой машиной, работающей на угле, и начала вырабатывать электроэнергию 4 сентября 1882 года, обслуживая первоначальную нагрузку в 400 ламп накаливания для 85 клиентов, расположенных в пределах примерно 3 км от станции. Однако с появлением переменного тока стало возможным использовать трансформаторы для преобразования вырабатываемой энергии в гораздо более высокое напряжение для передачи, что позволяло размещать электростанции и потребителей на расстоянии сотен миль, если это необходимо. Высокое напряжение затем можно было понизить с помощью трансформаторов для конечного использования. Риск одноточечных отказов был сведен к минимуму в конструкции станции. Генераторы переменного тока и связанные с ними водяные турбины были настолько велики, что их нельзя было доставить по железной дороге, поэтому их доставили на корабле в обход мыса Горн на расстояние 30 577 км. 13 июля 1895 года работали только два из четырех генераторов переменного тока, когда электростанция впервые обеспечила Сакраменто электроэнергией по линиям электропередачи протяженностью 35 км, что сделало ее одним из первых мест в Соединенных Штатах, осуществляющих передачу гидроэлектроэнергии на большие расстояния. Электростанция Фолсом предшествовала электростанции Ниагарского водопада Адамс, которая начала передавать электроэнергию переменного тока для местного использования и отправки в Буффало, штат Нью-Йорк, в 1897 году. Более ранний пример передачи гидроэлектроэнергии на большие расстояния в переменном токе был продемонстрирован на Международной электротехнической выставке 1891 года во Франкфурте-на-Майне, Германия. Компании Westinghouse Electric Company и General Electric соревновались в разработке более совершенного оборудования и внедрении его в Соединенных Штатах.

Водоснабжение

Вода для первоначальной гидроэлектростанции Фолсом поступала с отводящей плотины длиной 650 футов (198 м), шириной 24 фута (7 м) вверху, 87 футов (27 м) внизу и высотой 89 футов (27 м), построенной в 1890-х годах через реку Американ. Плотина отводила большой поток воды в канал длиной 2,5 мили (4 км) – Восточный канал. Ширина этого канала составляла 50 футов (15 м), а глубина – 8 футов (2 м), по которому проходило определенное количество воды в минуту. Канал шел параллельно реке, но имел гораздо меньший уклон, постепенно поднимаясь примерно на 85 футов (26 м) над уровнем реки. Плотина и канал были завершены в 1893 году под руководством Горацио Гейтса Ливермора, который изначально планировал использовать энергию падающей воды для привода лесопилки. Ливермор частично использовал труд заключенных по контракту из близлежащей тюрьмы Фолсом для строительства плотины и канала. Геометрия форбейса канала и реки Американ обеспечивала электростанции Фолсом гидравлический напор воды около 85 футов (26 м) (около 70 футов (21 м) было полезным), прежде чем вода возвращалась в реку Американ. Первоначально использовалось только около 35 футов (11 м) этого напора. Вода из канала поступала в форбейc, где от неё отделялся плавающий мусор, а затем направлялась в четыре больших напорных трубопровода диаметром 8 футов (2 м) и два меньших. Все напорные трубопроводы были оснащены задвижками, которые можно было закрыть для отключения воды на любой турбине для обслуживания. Генераторы переменного тока, одни из крупнейших, спроектированных и построенных на тот момент, приводились в действие через четыре напорных трубопровода, наполненных стремительно текущей водой, вращающей четыре большие турбины.

Турбины

Четыре большие водяные турбины, одни из самых крупных, построенных к тому времени, были изготовлены компанией S. Morgan Smith Works из Йорка, штат Пенсильвания. Помимо них, были установлены два небольших водовода и турбины для двух генераторов постоянного тока. Быстрое течение реки Американка, проходя через четыре большие водяные турбины, приводило в действие четыре генератора переменного тока, а еще две турбины питались от воды и вращали генераторы постоянного тока меньшей мощности.

Губернаторы

Четыре большие турбины были подключены непосредственно к генераторам переменного тока, а их скорость регулировалась изменением расхода воды с помощью центробежного регулятора для достижения 300 оборотов вала в минуту – необходимой скорости для генерации стабильного тока частотой 60 Гц.

Альтернаторы

Четыре генератора переменного тока являются одними из самых мощных трехфазных машин с вращающейся арматурой, когда-либо созданных. Недавно изобретенные Элиу Томсоном, они весили почти 30 тонн каждый (57 887 фунтов) и имели высоту 2,6 метра. Эти оригинальные генераторы переменного тока использовали многие компоненты генераторов постоянного тока в своей первоначальной конструкции. Генераторы переменного тока мощностью 750 киловатт (1005 лошадиных сил) были изготовлены на недавно основанном заводе General Electric в Шенектади, штат Нью-Йорк. Альтернаторы имели вращающиеся арматуры с 216 радиальными пазами диаметром 10 сантиметров, сформированными по периметру. Каждый паз содержит два изолированных прямоугольных индуктивных стержня длиной 107 сантиметров соответствующей фазы: внутренний круг из 216 стержней и внешний круг из 216 стержней. Индуктивные стержни дважды изогнуты со смещением в одном направлении. Середина стержня имеет прямой участок длиной 91 сантиметр, чтобы пройти от передней части ротора к задней. Внутренний круг стержней соединен с внешним кругом небольшими токопроводящими перемычками на передней и задней частях ротора. Три фазы ротора подключены к шести ответвительным цепям. Каждая из шести цепей проходит трижды по спирали вокруг ротора, по правой, сплющенной траектории. Энергию для 24 статорных (не вращающихся) магнитов полевых катушек генераторов переменного тока обеспечивал небольшой генератор постоянного тока, с другим генератором постоянного тока в режиме ожидания для немедленной замены при необходимости. Если один генератор постоянного тока выходил из строя или требовал обслуживания, можно было использовать другой. Все четыре генератора переменного тока были соединены между собой, когда долгосрочный спрос возрастал, и было обнаружено, что объединение генераторов улучшает контроль частоты за счет синхронизирующего эффекта.

Панель переключателя

Чтобы клиенты могли использовать электрические часы, регулируемые синхронными двигателями, на щите управления электростанции был добавлен указатель частоты. Для обеспечения параллельной работы генераторов и энергосистемы, на панель переключателей был добавлен синхроскоп.

Линии передачи

Электричество переменного тока (около 4020 лошадиных сил или 3 МВт), вырабатываемое на гидроэлектростанции Фолсом, преобразовывалось в 11 000 вольт на электростанции двенадцатью новыми (в 1895 году) воздушно-охлаждаемыми трансформаторами, изобретенными Уильямом Стэнли-младшим, и передавалось в Сакраменто по двенадцати голым медным проводам №1 AVG, удерживаемым керамическими изоляторами, закрепленными на поперечных балках, установленных на двух комплектах кедровых столбов высотой 12 метров. Использование нескольких проводов позволяло задействовать четыре независимые трехфазные линии. Это обеспечивало возможность проведения ремонта, технического обслуживания и новых монтажных работ без отключения всей системы. Столбы устанавливались на расстоянии около 32 метров друг от друга для прокладки линий электропередач. Под линиями электропередач прокладывались телефонные линии. По прибытии в Сакраменто высоковольтное электричество направлялось вблизи мест потребления и понижалось до более низкого напряжения для использования – аналогично тому, как электрическая энергия передается и используется сегодня. К 1895 году в Соединенных Штатах было построено почти 900 электрических уличных железных дорог и почти 18 000 километров путей, и они являлись одними из основных потребителей электроэнергии. Электродвигатели постоянного тока, используемые в электрических трамваях, были ограничены в применении областью нескольких миль от генераторов постоянного тока. Несмотря на эти ограничения, энергия постоянного тока стала весьма востребованной. Для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) для электрификации железных дорог от источника переменного тока использовался роторный преобразователь – разновидность мотор-генератора. Фабрики также были крупными потребителями электроэнергии. Возможность повышения напряжения переменного тока до высокого для передачи на большие расстояния и понижения его до более низкого напряжения вблизи мест использования представляла собой привлекательный способ доступа к новому источнику энергии. Усовершенствования в конструкции трансформаторов позволили в 1900 году заменить оригинальные воздушно-охлаждаемые трансформаторы на электростанции Фолсом на более эффективные маслоохлаждаемые трансформаторы. Электрический двигатель переменного тока был независимо представлен в 1888 году Галилео Феррарисом и Николой Теслой, и к 1895 году начал способствовать замене пара электричеством в качестве источника энергии. Индукционный двигатель позволял использовать переменный ток напрямую, без каких-либо преобразований. Первыми крупными потребителями двигателей переменного тока стали различные заводы, которые обычно заменяли свои паровые электростанции. Электричество переменного тока и его легкое преобразование с помощью трансформаторов от низкого к высокому напряжению и обратно сделали возможными широко распространенные электрические сети, которые мы сегодня повсеместно используем для множества задач. 9 сентября 1895 года новая энергия, предоставляемая электростанцией, была отмечена «Грандиозным электрическим карнавалом», в ходе которого столица штата Сакраменто была украшена тысячами лампочек в честь 45-й годовщины образования штата Калифорния.

Нижняя электростанция

Вторая электростанция была построена ниже первоначального сооружения в 1897 году для размещения дополнительного генератора переменного тока мощностью 750 киловатт, чтобы удовлетворить растущий спрос на электроэнергию для жилых домов и общественного транспорта в Сакраменто. Этот генератор был отделен от вращающей его турбины примерно на 6 метров с помощью системы шкивов и ременной передачи. С увеличением числа потребителей и областей применения электроэнергии, к началу 1900-х годов спрос на электроэнергию в Сакраменто и близлежащих городах превысил возможности расширенной электростанции Фолсом. Для обеспечения энергией Северной Калифорнии были построены более крупные гидроэлектростанции и плотины на реках Юба, Федер и Туолумн. К 1902 году электростанция Фолсом была приобретена компанией California Gas and Electric Company, базирующейся в Сан-Франциско. После реорганизации компании в Pacific Gas and Electric Company в 1906 году, электростанция и водосборный бассейн были модернизированы.