Війна струмів

У світі майже безперервно тривають війни, між тими чи іншими народами або країнами. Така сумна і страшна подія випала на долю і нашої держави. Ми, безсумнівно, віримо у перемогу та пропонуємо сьогодні пригадати іншу війну, що мала місце багато років тому у сфері електроенергетики. А саме, так звану «війну струмів».

Терміном «війна» або «битва струмів» прийнято назвати протистояння прихильників використання постійного струму (американського винахідника і підприємця Томаса Едісона) та прихильників змінного струму (сербського винахідника і інженера Ніколи Тесли та промисловця Джорджа Вестінгауза), що розпочалась у кінці 1880-х років та тривала понад 100 років.

Війна струмів – це боротьба двох різних принципів електропостачання: локального з живленням від місцевої низьковольтної електростанції постійного струму (Едісона) та централізованого – у вигляді мережі змінного струму з високовольтними лініями електропередачі (Вестінгауза). Це також ідейне суперництво двох видатних винахідників Томаса Едісона та Ніколи Тесли, що власне і запропонували ці конкуруючі системи передачі електроенергії. І врешті, це протистояння двох найбільших електротехнічних компаній того часу «Edison Electric Light» та «Westinghouse Electric Corporation», які активно впроваджували ці різні системи передачі електроенергії.

Постійним струмом (DС) називають електричний струм, напрямок протікання якого не змінюється і завжди тече в одному напрямку. Яскравим прикладом джерела постійного струму є акумулятор. Змінний струм (АC) – це електричний струм, сила і напрямок якого періодично змінюються. Сьогодні майже кожен будинок та бізнес підключені до мережі змінного струму. І саме цей вид електричної енергії споживачі зазвичай використовують, коли вмикають електричні лампи та побутові електроприлади в розетку. Проте так було не завжди, а наприкінці 80-х років ХІХ ст. безліч винаходів у Сполучених Штатах Америки та Європі призвели до справжньої та повномасштабної битви між змінним і постійним струмом.

Боротьба за використання цих видів струму виросла з впровадження двох різних систем освітлення, розроблених наприкінці 70-х – початку 80-х років ХІХ ст. Перша система вуличного освітлення базувалася на дугових лампах, що працювали на змінному струмі дуже високої напруги (зазвичай понад 3000 вольт), а друга полягала у великомасштабному виробництві компанією Томаса Едісона ламп розжарювання низької напруги на постійному струмі, призначених для застосування у закритих приміщеннях.

Едісон запатентував трипровідну електричну мережу постійного струму та запропонував систему невеликих локальних електростанцій з генератором постійного струму, які живитимуть окремі райони. Ці електростанції мали знаходитися в межах 1 милі від кінцевого користувача, а довжина лінії електропередачі низької напруги 110 В становила трохи більше 1,5 км. Слабким місцем системи Едісона були великі втрати потужності у провідниках при передачі електричної енергії на значні відстані і було очевидно, що такі локальні електростанції не могли забезпечити електропостачання цілого міста, а тим паче віддалених районів країни.

В результаті відразу ж з’явилися конкуруючі компанії, які запропонували централізоване (трансформаторне) електропостачання однофазним змінним струмом від великих електростанцій будь-якого типу з генератором змінного струму через високовольтні лінії передачі з підвищуючим і понижуючим трансформаторами, а також додатковим понижуючим трансформатором споживачів. Одним із таких серйозних конкурентів Едісона стала компанія Вестінгауза, що увійшла в електротехнічний бізнес у 1884 року, закупивши європейські патенти на трансформатори, придатні для роботи на високих потужностях і генератор змінного струму виробництва «Siemens&Halske».

«Westinghouse Electric Corporation» розробила систему розподілу змінного струму. Трансформатори надали недорогий метод підвищення напруги змінного струму до кількох тисяч вольт та зниження його до прийнятних рівнів. При більш високих напругах одна і та ж потужність може передаватися при набагато нижчому струмі, що означає меншу втрату потужності через опір у проводах. В результаті великі електростанції можуть бути розташовані за багато миль та обслуговувати більшу кількість людей та будівель.

Використання високої напруги в системах змінного струму дозволило передавати енергію на значно більші відстані від більш ефективних великих електростанцій. Але поширенню змінного струму заважала відсутність необхідних двигунів і лічильників, бо ж винайдений Едісоном лічильник електричної енергії міг використовуватись лише для постійного струму.

У 1882 році Нікола Тесла робить винахід багатофазного електродвигуна. У 1884 році талановитий сербський винахідник прибуває до США і влаштовується на роботу у компанію Томаса Едісона. Але після року успішної роботи Едісон відмовляє Теслі у підвищенні зарплати, і тоді він переходить працювати до Вестінгауза. У 1888 році Тесла отримує патент на свій асинхронний електродвигун, а у 1889 році з’являється перший лічильник електроенергії змінного струму.

Ці події остаточно схили чашу терезів на бік Вестінгауза. Перехід на змінний струм вів до фінансової поразки Едісона, який заробляв немалу частину коштів на патентних відрахуваннях. Відчувши загрозу, Едісон подав у суд за порушення більше десятка патентів, але рішення суду були не на його користь. Тоді підприємець почав шукати слабкі місця конкурентів і побачив їх у небезпеці ураження електричним струмом високої напруги. Компанія «Edison Electric Light Company» заявила, що висока напруга, яка використовується в системах змінного струму, є небезпечною, а сама конструкція порушує патенти, що стоять за системою постійного струму. Наступним кроком Едісона став чорний піар та публічна демонстрація вбивств тварин змінним струмом.

У той час газети і справді були наповнені описами часом жахливих випадків ураження електричним струмом ремонтників генераторів та ліній, а також звичайних пішоходів від проводів, що впали. Справжню паніку викликала загибель у 1889 р. монтера телеграфної компанії, що замкнув високовольтні дроти і живцем згорів на стовпі в діловій частині Манхеттена на очах численної публіки. Але справедливості заради слід зазначити, що нещасні випадки були пов’язані як із змінним, так і з постійним струмом, проте Едісон свідомо вибрав своєю мішенню саме змінний струм і усіляко намагався довести, що він є більш небезпечним, ніж постійний.

Безпосереднім приводом для початку війни слугували дебати про вищу міру покарання злочинців на електричному стільці, що розпочалися в результаті пропозиції замінити повішення стратою електричним струмом. За підтримки Едісона, інженер Гарольд Браун організував серію публічних вбивств собак і коней, показавши, що собаки гинули вже при напрузі в 300 В змінного струму, тоді як при використанні постійного струму для цього потрібна була втричі більша напруга.

У 1888 році штатом Нью-Йорк був прийнятий закон про електричний стілець з рекомендованою напругою 750-1500 В змінного струму. Бажаючи пов’язати страхи вбивства електричним струмом з ім’ям свого основного конкурента, Едісон наполягав на використанні в дослідах високовольтних генераторів Вестінгауза. Проте Вестінгауз був різким противником використання електрики для страти і відмовився постачати генератори змінного струму для цієї мети, а також найняв адвокатів засудженому до страти на електричному стільці Вільяму Кеммлеру. Адвокати вимагали скасувати вирок як такий, що суперечить Конституції США, яка забороняє «жорстокі і незвичайні покарання». Але незважаючи на їхні старання, у 1890 році відбулася перша публічна страта на електричному стільці, сконструйованому спільно з лабораторією Едісона, який таки придбав високовольтні генератори Вестінгауза через сторонню компанію. Страта справила дуже гнітюче враження, оскільки болісна смерть засудженого настала лише з другої спроби.

На хвилі громадського обурення прихильники Едісона пропонували законодавчо дозволити тільки підземні мережі з напругою не більше 300 В, що позбавляло б системи змінного струму будь-якого економічного сенсу. Тут важливо відзначити, що у системі Едісона напруга подавалося переважно саме підземним кабелям. Однак перша ж спроба введення подібних заходів взимку 1889 року занурила усі вулиці Нью-Йорка у повну темряву, після чого було вирішено обмежитися лише підвищенням вимог електробезпеки.

На початку 1890-х років напруга війни зменшилася. Смерті, спричинені лініями змінного струму в Нью-Йорку, змусили електричні компанії вирішити проблеми з безпекою. А злиття компаній Томаса Едісона «Edison Electric Light» з головним конкурентом Вестингауза «Thomson-Houston Electric Company», яка виробляла машини змінного струму у 1982 році дозволило знизити конкуренцію. В результаті злиття утворилась нова компанія «General Electric», що вже сама почала виробництво машин змінного струму та контролювала три чверті електротехнічного бізнесу США.

У 1891 році на виставці у Франкфурті-на-Майні була представлена трифазна система змінного струму, розроблена М.Й. Доліво-Добровольським у компанії AEG. Фурор, зроблений даною системою, допоміг компанії Вестінгауза у 1893 році виграти більшу частину контракту на будівництво найбільшої на той час гідроелектростанції на Ніагарському водоспаді.

«General Electric» після приходу в неї видатного електротехніка Чарльза Штейнмеца різко змінила курс, ставши активною прихильницею трифазних систем і при будівництві Ніагарської електростанції отримала підряд на трифазну лінію електропередачі від електростанції до найближчого великого міста Баффало напругою 11 кВ.

Не зважаючи на очевидні переваги змінного струму, Едісон не збирався відмовлятися від свого дітища — постійного струму, а також від чорного піару щодо конкурента. Він зняв і поширив у пресі кадри страти у 1903 році за допомогою змінного струму слонихи Топсі, що затоптала протягом останніх років трьох людей. Але щоб не робили прибічники Едісона вони нічого не могли протиставити основній перевазі систем змінного струму – передачі електроенергії на будь-які відстані.

Протягом ХХ століття комерційні системи розподілу електроенергії постійним струмом швидко скорочувалися, а більшість електростанцій виробляли змінний струм. Проте електропостачання постійним струмом неохоче здавало свої позиції і тривалий час продовжувало існувало чимало споживачів постійного струму. Та все ж зрештою постійний струм для подачі електроенергії був замінений на змінний, що забезпечило набагато більші відстані передавання, а датою остаточної перемоги АC над DC вважається 2007 рік, коли місто Нью-Йорк повністю перейшло з постійного струму на змінний.

Незважаючи на перемогу змінного струму і сьогодні існує чимало мереж, де використання постійного струму обумовлене особливостями експлуатації систем. Це тягові електродвигуни на транспорті, суднах і підводних човнах, бортові мережі транспортних засобів (залізничних вагонів, автомобілів, літаків тощо) та системи аварійного живлення. Постійним струмом користуються потужні заводи з виробництва металів, використовуючи його для електролітичного рафінування, а також низьковольтна електроніка (мікропроцесорні пристрої, електрозв’язок, іграшки, охоронна сигналізація тощо). Високовольтні лінії постійного струму, знайшли застосування для передачі великої потужності на далекі відстані підводними кабелями.

У середині 1950-х років було розроблено високовольтну систему передавання постійного струму, і тепер (у 2000-х роках) вона є альтернативою системам передачі змінного струму високої напруги на великі відстані. Для довгих підводних кабелів цей варіант постійного струму є єдиним технічно здійсненним способом.

Крім того, серед фахівців існує думка, що на нас може чекати відродження систем постійного струму. Це пов’язано з активним розвитком електроніки, що призвело до створення потужних напівпровідникових пристроїв перетворення як роду струму (AC/DC), так і рівня напруги, внаслідок чого на відстані понад 1000 км лінії електропередачі надвисокої напруги (сотні кіловольт) постійного струму стають економічно вигіднішими. Крім того, у системи постійного струму легше інтегруються усі відновлювані джерела електроенергії (вітрові, сонячні тощо), а кабельні лінії електропередачі також будуються переважно на постійному струмі. З іншого боку, усі технічні системи в промисловості, на транспорті та у побуті стають все більш інтелектуальними на базі комп’ютерної техніки та регульованих електроприводів постійного та змінного струму. Усі вони вимагають джерела живлення постійного струму. Таким чином, швидше за все, війна струмів ще не закінчена.