Война токов

В мире почти непрерывно идут войны между теми или иными народами, или же странами. Это печальное и страшное событие выпало на долю и нашей страны. Мы, несомненно, верим в победу и предлагаем сегодня вспомнить другую войну, происходившую много лет назад в сфере электроэнергетики. А именно, так называемую «войну токов».

Термином «война» или «битва токов» принято назвать начавшееся в конце 1880-х противостояние сторонников использования постоянного тока (американского изобретателя и предпринимателя Томаса Эдисона) и сторонников переменного тока (сербского изобретателя и инженера Николы Теслы и промышленника Джорджа Вестингауза), продолжавшееся более 100 лет.

Война токов – это борьба двух разных принципов электроснабжения: локального с питанием от местной низковольтной электростанции постоянного тока (Эдисона) и централизованного – в виде сети переменного тока с высоковольтными линиями электропередачи (Вестингауза). Это также идейное соперничество двух выдающихся изобретателей Томаса Эдисона и Николы Теслы, которые предложили эти конкурирующие системы передачи электроэнергии. И, наконец, это противостояние двух крупнейших электротехнических компаний того времени «Edison Electric Light» и «Westinghouse Electric Corporation», активно внедрявших эти различные системы передачи электроэнергии.

Постоянным током (DС) называют электрический ток, направление протекания которого не изменяется и всегда течет в одном направлении. Ярким примером источника постоянного тока является аккумулятор. Переменный ток (AC) – это электрический ток, сила и направление которого периодически изменяются. Сегодня почти каждый дом и бизнес подключены к сети переменного тока. И именно этот вид электрической энергии потребители обычно используют при включении электрических ламп и бытовых электроприборов в розетку. Однако так было не всегда, а в конце 80-х годов XIX в. множество изобретений в Соединенных Штатах Америки и Европе привели к настоящему и полномасштабному сражению между переменным и постоянным током.

Борьба за использование этих видов тока выросла из внедрения двух различных систем освещения, разработанных в конце 70-х – начале 80-х годов XIX в. Первая система уличного освещения базировалась на дуговых лампах, работавших на переменном токе очень высокого напряжения (обычно более 3000 вольт), а вторая заключалась в крупномасштабном производстве компанией Томаса Эдисона ламп накаливания низкого напряжения на постоянном токе, предназначенных для применения в закрытых помещениях.

Эдисон запатентовал трехпроводную электрическую сеть постоянного тока и предложил систему небольших локальных электростанций с генератором постоянного тока, питающих отдельные районы. Эти электростанции должны были находиться в пределах 1 мили от конечного пользователя, а длина линии электропередачи низкого напряжения 110 В составляла не более 1,5 км. Слабым местом системы Эдисона были большие потери мощности в проводниках при передаче электрической энергии на значительные расстояния и было очевидно, что такие локальные электростанции не могли обеспечить электроснабжение всего города, а тем более отдаленных районов страны.

В результате сразу же появились конкурирующие компании, предложившие централизованное (трансформаторное) электроснабжение однофазным переменным током от крупных электростанций любого типа с генератором переменного тока через высоковольтные линии передачи с повышающим и понижающим трансформаторами, а также дополнительным понижающим трансформатором потребителей. Одним из таких серьезных конкурентов Эдисона стала компания Вестингауза, вошедшая в электротехнический бизнес в 1884 году, закупив европейские патенты на трансформаторы, пригодные для работы на высоких мощностях и генератор переменного тока производства «Siemens&Halske».

«Westinghouse Electric Corporation» разработала систему распределения переменного тока. Трансформаторы предоставили недорогой метод повышения напряжения переменного тока до нескольких тысяч вольт и снижения его до приемлемых уровней. При более высоких напряжениях одна и та же мощность может передаваться при гораздо более низком токе, что означает меньшую потерю мощности из-за сопротивления в проводах. В результате большие электростанции могут быть расположены за много миль и обслуживать больше людей и зданий.

Использование высокого напряжения в системах переменного тока позволило передавать энергию на большие расстояния от более эффективных больших электростанций. Но распространению переменного тока мешало отсутствие необходимых двигателей и счетчиков, поскольку изобретенный Эдисоном счетчик электрической энергии мог использоваться только для постоянного тока.

В 1882 году Никола Тесла изобретает многофазный электродвигатель. В 1884 году талантливый сербский изобретатель прибывает в США и устраивается на работу в компанию Томаса Эдисона. Но после года успешной работы Эдисон отказывает Тесле в повышении зарплаты, и тогда он переходит работать к Вестингаузу. В 1888 году Тесла получает патент на свой асинхронный электродвигатель, а в 1889 году появляется первый счетчик электроэнергии переменного тока.

Эти события окончательно склонили чашу весов на сторону Вестингауза. Переход на переменный ток вел к финансовому поражению Эдисона, зарабатывавшему немалую часть средств на патентных отчислениях. Почувствовав угрозу, Эдисон подал в суд за нарушение более десятка патентов, но решения суда были не в его пользу. Тогда предприниматель начал искать слабые места конкурентов и увидел их в опасности поражения электрическим током высокого напряжения. Компания «Edison Electric Light Company» заявила, что высокое напряжение, используемое в системах переменного тока, является опасным, а сама конструкция нарушает патенты, стоящие за системой постоянного тока. Следующим шагом Эдисона стал черный пиар и публичная демонстрация убийств животных переменным током.

В то время газеты действительно были наполнены описаниями порой ужасных случаев поражения электрическим током ремонтников генераторов и линий, а также обычных пешеходов от упавших проводов. Настоящую панику вызвала гибель в 1889 году монтера телеграфной компании, замкнувшего высоковольтные провода и живьем сгоревшего на столбе в деловой части Манхэттена на глазах многочисленной публики. Но справедливости ради следует отметить, что несчастные случаи были связаны как с переменным, так и с постоянным током, однако Эдисон сознательно выбрал своей мишенью именно переменный ток и всячески пытался доказать, что он более опасен, чем постоянный.

Непосредственным поводом к началу войны служили дебаты о высшей степени наказания преступников на электрическом стуле, начавшиеся в результате предложения заменить повешение казнью электрическим током. При поддержке Эдисона, инженер Гарольд Браун организовал серию публичных убийств собак и лошадей, показав, что собаки погибали уже при напряжении в 300 В переменного тока, тогда как при использовании постоянного тока для этого требовалось втрое большее напряжение.

В 1888 году штатом Нью-Йорк был принят закон об электрическом стуле с рекомендованным напряжением 750-1500 В переменного тока. Желая связать страхи убийства электрическим током с именем своего основного конкурента, Эдисон настаивал на использовании в опытах высоковольтных генераторов Вестингауза. Однако Вестингауз был резким противником использования электричества для смертной казни и отказался поставлять генераторы переменного тока для этой цели, а также нанял адвокатов приговоренному к смертной казни на электрическом стуле Вильяму Кеммлеру. Адвокаты требовали отменить приговор как противоречащий Конституции США, запрещающей «жестокие и необычные наказания». Но, несмотря на их старания, в 1890 году произошла первая публичная казнь на электрическом стуле, сконструированном совместно с лабораторией Эдисона, который приобрел высоковольтные генераторы Вестингауза через стороннюю компанию. Казнь произвела очень гнетущее впечатление, поскольку болезненная смерть осужденного наступила только со второй попытки.

На волне общественного возмущения сторонники Эдисона предлагали законодательно разрешить только подземные сети с напряжением не более 300 В, что лишало бы системы переменного тока любого экономического смысла. Здесь важно отметить, что в системе Эдисона напряжение подавалось преимущественно именно подземными кабелями. Однако первая же попытка введения подобных мер зимой 1889 года погрузила все улицы Нью-Йорка в полную темноту, после чего было решено ограничиться лишь повышением требований электробезопасности.

В начале 1890-х годов напряжение войны снизилось. Смерти, вызванные линиями переменного тока в Нью-Йорке, заставили электрические компании устранить проблемы с безопасностью. А слияние компаний Томаса Эдисона «Edison Electric Light» с главным конкурентом Вестингауза «Thomson-Houston Electric Company», производившей машины переменного тока, в 1982 году позволило снизить конкуренцию. В результате слияния образовалась новая компания «General Electric», которая сама начала производство машин переменного тока и контролировала три четверти электротехнического бизнеса США.

В 1891 году на выставке во Франкфурте-на-Майне была представлена трехфазная система переменного тока, разработанная М.О. Доливо-Добровольским в компании AEG. Фурор, произведенный данной системой, помог компании Вестингауза в 1893 году выиграть большую часть контракта на строительство крупнейшей гидроэлектростанции того времени на Ниагарском водопаде.

«General Electric» после прихода в нее выдающегося электротехника Чарльза Штейнмеца резко изменила курс, став активной поклонницей трехфазных систем и при строительстве Ниагарской электростанции получила подряд на трехфазную линию электропередачи от электростанции до ближайшего крупного города Баффало напряжением 11 кВ.

Несмотря на очевидные преимущества переменного тока, Эдисон не собирался отказываться от своего детища – постоянного тока, а также от черного пиара по отношению к конкуренту. Он снял и распространил в печати кадры казни в 1903 году с помощью переменного тока слонихи Топси, затоптавшей в течение последних лет трех человек. Но чтобы не делали сторонники Эдисона, они ничего не могли противопоставить основному преимуществу систем переменного тока – передаче электроэнергии на любые расстояния.

В течение XX века коммерческие системы распределения электроэнергии постоянным током быстро сокращались, а большинство электростанций производили переменный ток. Однако электроснабжение постоянным током неохотно сдавало свои позиции и долгое время продолжало существовать немало потребителей постоянного тока. И все же постоянный ток для подачи электроэнергии был заменен на переменный, что обеспечило гораздо большие расстояния передачи, а датой окончательной победы АC над DC считается 2007 год, когда город Нью-Йорк полностью перешел с постоянного тока на переменный.

Несмотря на победу переменного тока, и сегодня существует немало сетей, где использование постоянного тока обусловлено особенностями эксплуатации систем. Это тяговые электродвигатели на транспорте, судах и подлодках, бортовые сети транспортных средств (железнодорожных вагонов, автомобилей, самолетов) и системы аварийного питания. Постоянным током пользуются мощные заводы производства металлов, используя его для электролитического рафинирования, а также низковольтная электроника (микропроцессорные устройства, электросвязь, игрушки, охранная сигнализация и прочее).

В середине 1950-х годов была разработана высоковольтная система передачи постоянного тока, и сейчас она является альтернативой системам передачи переменного тока высокого напряжения на большие расстояния. Для длинных подводных кабелей этот вариант постоянного тока является единственным технически выполнимым способом.

Кроме того, среди специалистов существует мнение, что нас может ожидать возрождение систем постоянного тока. Это связано с активным развитием электроники, что привело к созданию мощных полупроводниковых устройств преобразования как рода тока (AC/DC), так и уровня напряжения, в результате чего на расстоянии свыше 1000 км линии электропередачи сверхвысокого напряжения (сотни киловольт) постоянного тока становятся экономически более выгодными. Кроме того, в системы постоянного тока легче интегрируются все возобновляемые источники электроэнергии (ветровые, солнечные), а кабельные линии электропередачи строятся преимущественно на постоянном токе. С другой стороны, все технические системы промышленности, транспорта и быта становятся все более интеллектуальными на базе компьютерной техники и регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока. Все они требуют источника питания постоянного тока. Таким образом, скорее всего, война токов еще не окончена.