Historia om elektrisk kraftöverföring
Elektrisk kraftöverföring , verktygen och sätten att flytta elektricitet långt ifrån där den genereras, går tillbaka till slutet av 1800-talet. De inkluderar förflyttning av el i bulk (formellt kallad " överföring ") och leverans av el till enskilda kunder (" distribution "). I början användes de två termerna omväxlande.
Tidig överföring
Före elektriciteten hade olika system använts för överföring av kraft över stora avstånd. De främsta bland dem var telodynamisk (kabel i rörelse), pneumatisk (tryckluft) och hydraulisk (tryckvätska) transmission. Linbanor var det vanligaste exemplet på telodynamisk transmission, vars linjer kunde sträcka sig flera mil för en enda sektion. Pneumatisk transmission användes för stadskraftöverföringssystem i Paris, Birmingham, Rixdorf, Offenbach, Dresden och Buenos Aires i början av 1900-talet. Städer på 1800-talet använde också hydraulisk transmission med högtrycksvattenledningar för att leverera kraft till fabriksmotorer. Londons system levererade 7 000 hästkrafter (5,2 MW) över ett 180 mil (290 km) nätverk av rör som transporterade vatten på 800 pund per kvadrattum (5,5 MPa). Dessa system ersattes av billigare och mer mångsidiga elsystem, men i slutet av 1800-talet var stadsplanerare och finansiärer väl medvetna om fördelarna, ekonomin och processen med att etablera kraftöverföringssystem.
Under de tidiga dagarna av elektrisk kraftanvändning hade utbredd överföring av elektrisk kraft två hinder. För det första krävde enheter som kräver olika spänningar specialiserade generatorer med sina egna separata linjer. Gatubelysning, elmotorer i fabriker, ström för spårvagnar och belysning i hem är exempel på mångfalden av enheter med spänningar som kräver separata system. För det andra måste generatorer vara relativt nära sina belastningar (en mil eller mindre för lågspänningsenheter). Det var känt att överföring på längre avstånd var möjlig ju högre spänningen höjdes, så båda problemen kunde lösas om transformering av spänningar från en enda universell kraftledning kunde göras effektivt.
Specialiserade system
Mycket av den tidiga elektriciteten var likström , som inte lätt kunde ökas eller minskas i spänning, vare sig för långdistansöverföring eller för att dela en gemensam linje som skulle användas med flera typer av elektriska enheter. Företag körde helt enkelt olika linjer för de olika klasser av laster som deras uppfinningar krävde. Till exempel Charles Brushs båglampssystem i New York upp till 10 kV för många lampor i en seriekrets, Edisons glödlampor använde 110 V, spårvagnar byggda av Siemens eller Sprague krävde stora motorer i 500 voltsområdet, medan industrimotorer i fabriker används ytterligare andra spänningar. På grund av denna specialisering av linjer, och eftersom transmissionen var så ineffektiv, verkade det på den tiden som att industrin skulle utvecklas till vad som nu kallas ett distribuerat produktionssystem med ett stort antal små generatorer placerade nära deras laster.
Tidig högspänningsexteriörbelysning
Högspänning var av intresse för tidiga forskare som arbetade med problemet med överföring över avstånd. De visste från elementär elprincip att samma mängd kraft kunde överföras på en kabel genom att dubbla spänningen och halvera strömmen. På grund av Joules lag visste de också att strömförlusten från värme i en tråd är proportionell mot kvadraten på strömmen som går på den, oavsett spänningen, och så genom att fördubbla spänningen skulle samma kabel kunna överföra samma mängd kraft fyra gånger avståndet.
På Paris-utställningen 1878 hade elektrisk ljusbåge installerats längs Avenue de l'Opera och Place de l'Opera, med hjälp av elektriska Yablochkov-båglampor , drivna av Zénobe Gramme växelströmsdynamos. Yablochkov-ljus krävde hög spänning, och det dröjde inte länge innan experimentörer rapporterade att båglamporna kunde drivas på en 14-kilometer (8,7 mi) krets. Inom ett decennium skulle mängder av städer ha belysningssystem som använder ett centralt kraftverk som tillhandahåller el till flera kunder via elektriska transmissionsledningar. periodens dominerande gasljusverk .
Idén att investera i en central anläggning och ett nätverk för att leverera energi producerad till kunder som betalar en återkommande avgift för service var en välbekant affärsmodell för investerare: den var identisk med den lukrativa gaslight-verksamheten, eller de hydrauliska och pneumatiska kraftöverföringssystemen. Den enda skillnaden var att varan som levererades var el, inte gas, och "rören" som användes för att leverera var mer flexibla.
California Electric Company (nu PG&E) i San Francisco 1879 använde två likströmsgeneratorer från Charles Brushs företag för att förse flera kunder med ström till sina ljusbågslampor. Detta San Francisco-system var det första fallet med ett företag som sålde el från en central anläggning till flera kunder via transmissionsledningar . CEC öppnade snart en andra anläggning med ytterligare 4 generatorer. Serviceavgifter för ljus från solnedgång till midnatt var 10 USD per lampa och vecka.
Grand Rapids Electric Light & Power Company, som grundades i mars 1880 av William T. Powers och andra, började driften av världens första kommersiella vattenkraftverk på centralstationen, lördagen den 24 juli 1880, och fick ström från Wolverine Chair and Furniture Companys vattenturbin. . Den drev en 16-ljus Brush elektrisk dynamo som belysning flera skyltfönster i Grand Rapids, Michigan. Det är den tidigaste föregångaren till Consumers Energy of Jackson, Michigan.
I december 1880 satte Brush Electric Company upp en centralstation för att förse en 2-mile (3,2 km) längd av Broadway med bågbelysning. I slutet av 1881 hade New York, Boston, Philadelphia, Baltimore, Montreal, Buffalo, San Francisco, Cleveland och andra städer Brush arc lampsystem, som producerade offentligt ljus långt in på 1900-talet. År 1893 fanns det 1500 båglampor som lyste upp New Yorks gator.
Likströmsbelysning
Tidiga ljusbågsljus var extremt starka och de höga spänningarna utgjorde en risk för gnistor/brand, vilket gjorde dem för farliga att använda inomhus. År 1878 såg uppfinnaren Thomas Edison en marknad för ett system som kunde föra in elektrisk belysning direkt till en kunds företag eller hem, en nisch som inte betjänas av bågbelysningssystem. Efter att ha utarbetat en kommersiellt gångbar glödlampa 1879 fortsatte Edison med att utveckla det första storskaliga investerarägda elektriska belysningsverktyget på nedre Manhattan, som så småningom tjänade en kvadratkilometer med 6 "jumbodynamos" inhysta på Pearl Street Station . När servicen började i september 1882 fanns det 85 kunder med 400 glödlampor. Varje dynamo producerade 100 kW – tillräckligt för 1200 glödlampor, och överföringen skedde på 110 V via underjordiska ledningar. Systemet kostade 300 000 USD att bygga med installation av de 100 000 fot (30 000 m) underjordiska rören en av de dyraste delarna av projektet. Driftskostnaderna översteg inkomsterna under de första två åren och brand förstörde anläggningen 1890. Vidare hade Edison ett tretrådssystem så att antingen 110 V eller 220 V kunde levereras för att driva vissa motorer.
Tillgänglighet för storskalig produktion
Tillgång till stora mängder kraft från olika platser skulle bli möjlig efter Charles Parsons produktion av turbogeneratorer från 1889. Turbogeneratoreffekten hoppade snabbt från 100 kW till 25 megawatt på två decennier. Före effektiva turbogeneratorer var vattenkraftsprojekt en betydande källa till stora mängder kraft som krävde transmissionsinfrastruktur.
Transformatorer och växelström
När George Westinghouse blev intresserad av elektricitet drog han snabbt och korrekt slutsatsen att Edisons låga spänningar var för ineffektiva för att skalas upp för överföring som behövs för stora system. Han förstod vidare att långdistansöverföring behövde högspänning och att billig omvandlingsteknik endast fanns för växelström. Transformatorer skulle spela den avgörande rollen i segern för växelström över likström för transmissions- och distributionssystem. 1876 Pavel Yablochkov sin mekanism för att använda induktionsspolar för att fungera som en transformator innan Parisutställningen demonstrerade sina båglampor. 1881 Lucien Gaulard och John Dixon Gibbs en effektivare enhet som de kallade den sekundära generatorn, nämligen en transformator för tidig nedtrappning vars förhållande kunde justeras genom att konfigurera anslutningarna mellan en serie trådbundna bobiner runt en spindel, från vilken ett strykjärn kärna kan läggas till eller tas bort efter behov för att variera uteffekten. Enheten utsattes för olika kritik och missförstods ibland som att den bara gav ett varvförhållande på 1:1.
Den första demonstrativa långväga (34 km, 21 mi) AC-linjen byggdes för 1884 års internationella utställning i Turin, Italien . Den drevs av en 2-kV, 130-Hz Siemens & Halske generator och innehöll flera Gaulard sekundära generatorer med sina primärlindningar kopplade i serie, som matade glödlampor. Systemet bevisade genomförbarheten av växelströmsöverföring över långa avstånd. Mellan 1884 och 1885 de ungerska ingenjörerna Zipernowsky , Bláthy och Déri från företaget Ganz i Budapest de effektiva "ZBD"-spolarna med sluten kärna, såväl som det moderna elektriska distributionssystemet . De tre hade upptäckt att alla tidigare kärnlösa eller öppna enheter inte kunde reglera spänningen och därför var opraktiska. Deras gemensamma patent beskrev två versioner av en design utan poler: " transformatorn med sluten kärna " och "transformatorn med skalkärna". Ottó Bláthy föreslog användning av slutna kärnor, Károly Zipernowsky använde shuntanslutningar och Miksa Déri utförde experimenten. De nya ZBD-transformatorerna var 3,4 gånger effektivare än de bipolära enheterna med öppen kärna från Gaulard och Gibbs.
I transformatorn med sluten kärna är järnkärnan en sluten ring runt vilken de två spolarna är lindade. I transformatorn av skaltyp förs lindningarna genom kärnan. I båda designerna rör sig det magnetiska flödet som förbinder primär- och sekundärlindningarna nästan helt inom järnkärnan, utan någon avsiktlig väg genom luften. Kärnan består av järnsträngar eller ark. Dessa revolutionerande designelement skulle äntligen göra det tekniskt och ekonomiskt möjligt att tillhandahålla elektrisk kraft för belysning i hem, företag och offentliga utrymmen. Zipernowsky, Bláthy och Déri upptäckte också transformatorformeln, Vs/Vp = Ns/Np. Elektriska och elektroniska system världen över förlitar sig på principerna för de - transformatorerna ursprungliga Ganz . Uppfinnarna tillskrivs också den första användningen av ordet "transformator" för att beskriva en anordning för att ändra EMF för en elektrisk ström.
En allra första operativ AC-ledning togs i bruk 1885 i via dei Cerchi, Rom, Italien , för offentlig belysning. Den drevs av två Siemens & Halske-generatorer med märkeffekten 30 hk (22 kW), 2 kV vid 120 Hz och använde 200 seriekopplade Gaulard 2-kV/20-V nedtrappningstransformatorer försedda med en sluten magnetkrets, en för varje lampa. Några månader senare följdes det av det första brittiska AC-systemet, som togs i bruk på Grosvenor Gallery, London. Den innehöll också Siemens generatorer och 2,4-kV/100-V nedtrappningstransformatorer, en per användare, med shuntanslutna primärenheter.
Konceptet som är grunden för modern överföring med hjälp av billiga steg upp och ned transformatorer implementerades först av Westinghouse, William Stanley, Jr. och Franklin Leonard Pope 1886 i Great Barrington, Massachusetts , med tillgripande även europeisk teknik. 1888 licensierade Westinghouse också Nikola Teslas induktionsmotor som de så småningom skulle utveckla till en användbar (2-fas) AC-motor. Det moderna 3-fassystemet utvecklades av Mikhail Dolivo-Dobrovolsky och Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft och Charles Eugene Lancelot Brown i Europa, med start 1889.
Den internationella elektrotekniska utställningen 1891, i Frankfurt , Tyskland , visade på långdistansöverföring av högeffekts trefas elektrisk ström. Den hölls mellan 16 maj och 19 oktober på den nedlagda platsen för de tre tidigare "Westbahnhöfe" (västra järnvägsstationerna) i Frankfurt am Main . Utställningen visade den första långdistansöverföringen av högeffekts, trefas elektrisk ström, som genererades 175 km bort vid Lauffen am Neckar . Det drev framgångsrikt motorer och lampor på mässan. När utställningen stängde kraftstationen i Lauffen att vara i drift och gav elektricitet till den administrativa huvudstaden Heilbronn, vilket gjorde det till det första stället att utrustas med trefas växelström. Många företags tekniska representanter (inklusive EW Rice från Thomson-Houston Electric Company (det som blev General Electric)) deltog. De tekniska rådgivarna och representanterna var imponerade. Som ett resultat av det framgångsrika fältförsöket blev trefasström, för Tysklands del, det mest ekonomiska sättet att överföra elektrisk energi.
Enkelheten hos flerfasgeneratorer och motorer innebar att de förutom sin effektivitet kunde tillverkas billigt, kompakt och skulle kräva lite uppmärksamhet att underhålla. Enkel ekonomi skulle driva de dyra, skrymmande och mekaniskt komplexa DC-dynamon till deras slutliga utrotning. Som det visade sig var den avgörande faktorn i strömkriget tillgången på lågkostnadstransformatorer för steg upp och ned, vilket innebar att alla kunder oavsett deras specialiserade spänningskrav kunde betjänas till minimala konverteringskostnader. Detta "universella system" betraktas idag som en av de mest inflytelserika innovationerna för användningen av elektricitet.
Högspänningslikströmsöverföring
Fallet för växelström var inte klart vid sekelskiftet och högspänningssystem för likströmsöverföring installerades framgångsrikt utan nyttan av transformatorer. Rene Thury , som hade tillbringat sex månader på Edisons anläggning i Menlo Park , förstod sitt problem med överföring och var övertygad om att det var möjligt att flytta el över stora avstånd med likström. Han var bekant med arbetet av Marcel Deprez , som tidigt arbetade med högspänningsöverföring efter att ha inspirerats av båglampsgeneratorers förmåga att stödja ljus över stora avstånd. Deprez undvek transformatorer genom att placera generatorer och laster i serie som båglampssystem av Charles F. Brush gjorde. Thury utvecklade denna idé till det första kommersiella systemet för högspänningslikströmsöverföring. Liksom Brushs dynamo hålls strömmen konstant, och när ökad belastning kräver mer tryck, höjs spänningen. Thury -systemet användes framgångsrikt i flera DC-transmissionsprojekt från Hydro-generatorer. Det första 1885 var ett lågspänningssystem i Bözingen , och det första högspänningssystemet togs i bruk 1889 i Genua , Italien , av företaget Acquedotto de Ferrari-Galliera . Detta system överförde 630 kW vid 14 kV DC över en krets som var 120 km lång. Det största Thury-systemet var Lyon Moutiers-projektet som var 230 km långt och levererade så småningom 20 megawatt vid 125 kV.
Seger för AC
I slutändan hämmades mångsidigheten hos Thury-systemet av seriedistributionens bräcklighet och avsaknaden av en pålitlig DC-omvandlingsteknik som inte skulle dyka upp förrän på 1940-talet med förbättringar av kvicksilverbågsventiler . AC "universella system" vann genom siffror, spridning av system med transformatorer både för att koppla generatorer till högspänningsledningar och för att ansluta transmission till lokala distributionskretsar. Genom ett lämpligt val av bruksfrekvens kunde både belysning och motorbelastning betjänas. Roterande omvandlare och senare kvicksilverbågsventiler och annan likriktarutrustning gjorde att DC-belastningen kunde betjänas av lokal omvandling där det behövdes. Även genereringsstationer och laster som använder olika frekvenser kan också kopplas samman med hjälp av roterande omvandlare. Genom att använda gemensamma genereringsanläggningar för varje typ av belastning uppnåddes viktiga skalfördelar , lägre totala kapitalinvesteringar krävdes, belastningsfaktorn på varje anläggning ökades vilket möjliggör högre effektivitet, vilket möjliggör en lägre energikostnad för konsumenten och ökad totalt sett användning av elektrisk kraft.
Genom att tillåta flera produktionsanläggningar att kopplas samman över ett stort område, minskade elproduktionskostnaderna. De mest effektiva tillgängliga anläggningarna skulle kunna användas för att försörja de varierande lasterna under dagen. Tillförlitligheten förbättrades och kapitalinvesteringskostnaderna minskade, eftersom beredskapskapaciteten kunde delas på många fler kunder och ett bredare geografiskt område. Avlägsna och billiga energikällor, såsom vattenkraft eller kol som utmynnar i gruvor, skulle kunna utnyttjas för att sänka energiproduktionskostnaderna.
Den första överföringen av trefas växelström med högspänning skedde 1891 under den internationella elmässan i Frankfurt . En 15 kV transmissionsledning förband Lauffen på Neckar och Frankfurt am Main, 175 km (109 mi) från varandra.
Willamette Falls till Niagara Falls
1882 använde den tyska kraftöverföringen Miesbach–München 2kV DC över 57 km (35 mi). År 1889 slogs den första långdistansöverföringen av DC-elektricitet i USA på vid Willamette Falls Station, i Oregon City, Oregon . 1890 förstörde en översvämning kraftverket. Denna olyckliga händelse banade väg för den första långdistansöverföringen av AC-elektricitet i världen när Willamette Falls Electric-företaget installerade experimentella AC-generatorer från Westinghouse 1890.
Samma år bildade Niagara Falls Power Company (NFPC) och dess dotterbolag Cataract Company International Niagara Commission bestående av experter, för att analysera förslag för att utnyttja Niagara Falls för att generera elektricitet. Kommissionen leddes av Sir William Thomson (senare Lord Kelvin) och inkluderade Eleuthère Mascart från Frankrike, William Unwin från England, Coleman Sellers från USA och Théodore Turrettini från Schweiz. Det backades upp av entreprenörer som JP Morgan , Lord Rothschild och John Jacob Astor IV . Bland 19 förslag övervägde de till och med kortfattat tryckluft som ett kraftöverföringsmedium , men föredrog el. De kunde inte avgöra vilken metod som skulle vara bäst totalt sett.
År 1893 hade Niagara Falls Power Company avvisat de återstående förslagen från ett halvdussin företag och tilldelat genereringskontraktet till Westinghouse med ytterligare transmissionsledningar och transformatorkontrakt tilldelade General Electric. Arbetet började 1893 på Niagara Falls generationsprojekt: 5 000 hästkrafter (3 700 kW) skulle genereras och överföras som växelström , med en frekvens på 25 Hz för att minimera impedansförlusterna vid överföring (ändrades till 60 Hz på 1950-talet).
Westinghouse var också tvungen att utveckla ett system baserat på roterande omvandlare för att de skulle kunna leverera alla nödvändiga strömstandarder inklusive enfas och flerfas AC och DC för gatubilar och fabriksmotorer. Westinghouses första kund för kraften från vattenkraftsgeneratorerna vid Edward Dean Adams Station i Niagara 1895 var Pittsburgh Reduction Companys anläggningar som behövde stora mängder billig el för att smälta aluminium. Den 16 november 1896 började elektrisk kraft som överfördes till Buffalo driva sina gatubilar. Genereringsanläggningarna byggdes av Westinghouse Electric Corporation . Projektets omfattning gjorde att General Electric också bidrog och byggde transmissionsledningar och utrustning. Samma år undertecknade Westinghouse och General Electric ett patentdelningsavtal, vilket avslutade cirka 300 rättegångar som företagen var inblandade i över sina konkurrerande elektriska patent, och gav dem monopolistisk kontroll över den amerikanska elkraftsindustrin i många år framöver.
Inledningsvis stöddes transmissionsledningar av porslinsstift-och-hylsa- isolatorer liknande de som används för telegrafer och telefonlinjer . Dessa hade dock en praktisk gräns på 40 kV. 1907 gjorde uppfinningen av skivisolatorn av Harold W. Buck från Niagara Falls Power Corporation och Edward M. Hewlett från General Electric att praktiska isolatorer av valfri längd kunde konstrueras för högre spänningar.
Början av 1900-talet
Spänningar som användes för elektrisk kraftöverföring ökade under hela 1900-talet. Den första "högspännings" växelströmsstationen, klassad 4-MW 10-kV 85-Hz, togs i bruk 1889 av Sebastian Ziani de Ferranti i Deptford , London. Den första elektriska kraftöverföringsledningen i Nordamerika fungerade på 4000 V. Den gick online den 3 juni 1889, med ledningarna mellan generatorstationen vid Willamette Falls i Oregon City, Oregon , och Chapman Square i centrala Portland, Oregon sträckte sig cirka 13 mil. År 1914 var femtiofem transmissionssystem som fungerade på mer än 70 000 V i drift, och den högsta spänningen som användes då var 150 kV. Den första trefasiga växelströmsöverföringen vid 110 kV ägde rum 1907 mellan Croton och Grand Rapids , Michigan . Spänningar på 100 kV och mer var inte etablerad teknik förrän cirka 5 år senare, med till exempel den första 110 kV-ledningen i Europa mellan Lauchhammer och Riesa , Tyskland, 1912.
I början av 1920-talet byggdes linjen Pit River – Cottonwood – Vaca-Dixon för 220 kV som transporterade kraft från vattenkraftverk i Sierra Nevada till San Francisco Bay Area , samtidigt som linjerna Big Creek – Los Angeles uppgraderades till samma spänning. Båda dessa system togs i kommersiell tjänst 1923. Den 17 april 1929 färdigställdes den första 220 kV-linjen i Tyskland, från Brauweiler nära Köln , över Kelsterbach nära Frankfurt, Rheinau nära Mannheim , Ludwigsburg – Hoheneck nära Österrike . Denna linje omfattar nord-syd-förbindelsen , vid den tiden ett av världens största kraftsystem. Masterna på denna linje är designade för eventuell uppgradering till 380 kV. Den första överföringen vid 380 kV i Tyskland skedde dock den 5 oktober 1957 mellan transformatorstationerna i Rommerskirchen och Ludwigsburg–Hoheneck.
Världens första 380 kV kraftledning byggdes i Sverige , den 952 km långa linjen Harsprånget – Hallsberg 1952. 1965 skedde den första extrahögspänningsöverföringen på 735 kV på en ledning av Hydro-Québec . 1982 var den första överföringen på 1200 kV i Sovjetunionen .
Den snabba industrialiseringen på 1900-talet gjorde elektriska transmissionsledningar och nät till en kritisk del av den ekonomiska infrastrukturen i de flesta industriländer. Sammankoppling av lokala produktionsanläggningar och små distributionsnät stimulerades kraftigt av kraven från första världskriget , där stora elproduktionsanläggningar byggdes av regeringar för att tillhandahålla ström till ammunitionsfabriker; senare anslöts dessa anläggningar för att försörja civil last genom långdistansöverföring.
Små kommunala elbolag ville inte nödvändigtvis minska kostnaderna för varje såld enhet el; i viss mån, särskilt under perioden 1880–1890, ansågs elektrisk belysning vara en lyxprodukt och elektrisk kraft ersatte inte ångkraft. Ingenjörer som Samuel Insull i USA och Sebastian Z. De Ferranti i Storbritannien var avgörande för att övervinna tekniska, ekonomiska, regulatoriska och politiska svårigheter vid utvecklingen av elkraftöverföring på långa avstånd. Genom införandet av elkraftöverföringsnät, i staden London reducerades kostnaden för en kilowattimme till en tredjedel under en tioårsperiod.
1926 började elektriska nätverk i Storbritannien att kopplas samman i National Grid , som initialt fungerade på 132 kV.
Kraftelektronik
Kraftelektronik är tillämpningen av halvledarelektronik för styrning och omvandling av elektrisk kraft. Kraftelektronik började med utvecklingen av kvicksilverbågslikriktaren . Uppfanns av Peter Cooper Hewitt 1902 och användes för att omvandla växelström (AC) till likström (DC). Från 1920-talet och framåt fortsatte forskningen om att tillämpa tyratroner och rutnätskontrollerade kvicksilverbågsventiler för kraftöverföring. Uno Lamm utvecklade en kvicksilverventil med sorteringselektroder som gör dem lämpliga för högspänningslikströmsöverföring . 1933 uppfanns selenlikriktare.