История электротехники

С развитием энергосистем возникла необходимость разработки специфических разделов теории электрических цепей и длинных линий для учета инженерных аспектов использования результатов теоретических исследований. Для таких систем жизненно важными стали проблемы перенапряжений и токов коротких замыканий при коммутации электрической цепи. В маломощных цепях при коротких замыканиях длительность протекания и значения токов просто ограничиваются при помощи плавких предохранителей или автоматов. Однако при большой мощности энергосистем приходится использовать специальную технику отключения, обеспечивающую допустимые значения перенапряжений и сверхтоков, и методы ТЭ должны были позволять рассчитать эти величины с точностью, удовлетворяющей требованиям конструкторов аппаратов и систем защиты. Исходя из особенностей протекания переходных процессов теория и разработанные на ее основе методы должны были формулировать требования и рекомендации конструкторам аппаратуры, предлагать методы расчета протекающих через выключатели токов и способы ограничения максимальных их значений.

Эти требования усложнялись необходимостью учета влияния переходных процессов на динамику поведения множества параллельно работающих генераторов с точки зрения устойчивости их работы. Развитие энергосистем, связанных длинными линиями электропередачи, привело к тому, что электрические станции с многочисленными генераторами, объединенные в общую сеть, вынуждены были работать параллельно. Выяснилось, что при параллельной работе нескольких станций переменного тока необходимо строго соблюдать условие синхронности вращения генераторов, поскольку его нарушение приводит систему к режиму, подобному режиму короткого замыкания. В этой связи возникла проблема выработки условий, необходимых для синхронной работы и устойчивости системы при аномальных режимах, вызванных коммутациями, короткими замыканиями и перегрузками в сети.

Изучению вопросов устойчивости параллельной работы электростанций, динамических режимов их работы и созданию соответствующего теоретического фундамента посвящены многочисленные работы Н.Н. Боголюбова, А.А. Горева, П.С. Жданова, С.А. Лебедева, Л.Р. Неймана и др. Актуальность этих проблем в СССР была постоянной в связи с непрерывным усложнением конфигурации, ростом мощности Единой электроэнергетической системы СССР (ЕЭС), появлением новых типов и классов ЛЭП. Изучение динамических режимов стало особенно важным в связи со строительством новых гидроэлектростанций огромной для того времени мощности после окончания Великой Отечественной войны. Созданная к тому времени научная школа ТЭ была способна решать сложнейшие теоретические и технические задачи в применении к системам, связанным дальними линиями электропередачи.

СССР в течение пяти лет успел залечить глубокие раны, нанесенные фашистской Германией нашей стране, и начиная с 1950 г. приступил к составлению и реализации новых планов ускоренного развития экономики. В этих планах электрификация страны приобрела еще большее значение, поскольку географические особенности распределения источников энергетического сырья и гидроресурсов обусловливали необходимость передачи больших потоков электроэнергии из восточных районов СССР на запад и строительства гидроэлектрических станций по всей стране. Неудивительно, что в этой обстановке Г.М. Кржижановский вторично возглавил работы по их научному обеспечению и привлек к решению этих проблем новых ученых, среди которых следует отметить М.П. Костенко (электрические машины), Л.Р. Неймана (теоретическая электротехника), В.И. Попкова (электрофизические проблемы высоких напряжений), Д.А. Завалишина (преобразовательная техника). Особенно интенсивно развивались области ТЭ, обеспечивающие создание теории, методов расчета и проектирования новых электрических машин и двигателей, измерительных приборов и электротехнического, особенно высоковольтного, оборудования. (М.П. Костенко, И.А. Глебов, Н.Н. Шереметьевский, Р.Л. Лютер, А.Г Иосифьян, Я.Б. Данилевич, Г.Н. Петров, А.И. Вольдек, В.В. Домбровский, В.И. Радин, И.З. Богуславский, И.П. Копылов, А.В. Иванов-Смоленский, А.А. Бальчитис и др.). При строительстве протяженных ЛЭП особое место в ТЭ заняли проблемы, связанные с созданием в СССР в 1970–1990 гг. сверх- и ультравысоковольтных ЛЭП переменного тока напряжением 750–1150 кВ и постоянного тока напряжением 800–1500 кВ (В.И. Попков, Н.Н. Тиходеев, Г.Н. Александров, В.П. Фотин, И.М. Бортник и др.) и сопутствующей высоковольтной аппаратуры, в частности ограничителей перенапряжения (А.А. Торосян, М.М. Карапетян в филиале ВЭИ в г. Ереване). Для разработки, испытания и производства высоковольтной аппаратуры для этих ЛЭП потребовались более точные методы расчета электрических полей, конструкций проводов для ограничения потерь на корону и новых моделей короны, специальные физические модели отдельных элементов ЛЭП и методы их ускоренных испытаний. В.И. Попков, Н.Н. Тиходеев, К.С. Демирчян, Г.Н. Александров, В.П. Фотин, И.М. Бортник и возглавляемые ими научные коллективы внесли большой вклад в решение проблем ТЭ, связанных с научным обеспечением этих разработок. Особо следует отметить теорию и практику реализации ускоренных испытаний высоковольтной изоляции, предложенные школой Н.Н. Тиходеева, М.В. Костенко, Г.С. Кучинского в Ленинграде. Эти работы, связанные с непрерывной диагностикой состояния изоляции, внесли большой вклад в теорию и практику диагностики электротехнического оборудования. Следует также отметить работы А.В. Миткевича в области создания стабильных магнитных систем электроизмерительных приборов, и особенно в области теории и практики их ускорения испытаний.

Выше было отмечено, что в ТЭ развитие методов исследования электромагнитных процессов увязывалось с возможностями вычислительных устройств. Ограниченность возможностей аналитических и численных методов расчета для количественного анализа процессов в электротехнических устройствах и энергосистемах потребовала разработки теории и методов физического и математического моделирования этих систем. В этой связи в послевоенные годы для получения численных данных исключительную роль стали играть аналоговые и физические модели устройств и такие модели энергосистем, которые дали возможность воспроизводить не только статические, но и динамические режимы их работы.

Перед учеными ставились все более сложные задачи теоретического характера, связанные с математическим описанием процессов в этих новых условиях. Например, с появлением линий передачи постоянного тока в качестве системообразующего элемента возникли теоретические проблемы описания и представления в математических моделях особенностей ЛЭП постоянного тока в ЕЭС СССР. Уникальными по решению этой проблемы являются исследования, проведенные Л.Р. Нейманом и его школой ТЭ на кафедре ТОЭ в Ленинградском политехническом институте и в Ленинградском отделе электроэнергетики Энергетического института им. Г.М. Кржижановского. Эти исследования привели не только к созданию моделей ЛЭП постоянного тока, но и новых методов расчета нелинейных цепей, содержащих элементы с кусочно-линейной характеристикой, каковыми могут быть представлены электрические и магнитные характеристики элементов многих современных электротехнических устройств, например систем на основе полупроводниковых вентилей для многочисленных устройств преобразования частоты.

Наряду с развитием методов расчета ТЭ, связанных с созданием сильноточных электротехнических устройств, появлялись методы, специфичные для слаботочных электротехнических устройств: новых средств автоматики, приборов, измерительных устройств и связи. Особое развитие получили устройства с электронными и полупроводниковыми приборами с дискретными системами управления. Появление этих приборов и их широкое распространение было обусловлено возможностью осуществить управление электромагнитными процессами. Это позволило создать большой класс устройств для усиления мощности, напряжения и тока, воздействующих на вход этих приборов.

В ТЭ появился большой раздел, посвященный созданию математических моделей таких приборов и специфических методов расчета процессов в устройствах, созданных на их основе. В их число вошла теория активных электрических цепей с зависимыми источниками и цепей с обратными связями. Особое значение приобрело использование этих приборов в радиотехнике, автоматике, информационной, вычислительной технике. Для расчета и конструирования устройств на основе таких приборов в ТЭ развился раздел теории и методов расчета цепей с активными и дискретными элементами.