AZ ÁRAMOK HARCA
Lakája szemében a nagy ember is kicsi – mondja egy aforizma, ami Thomas
Alva Edison esetében fején találja a szöget. A nagy (vagy nagynak tartott), de
legalábbis termékeny feltaláló gátlástalan üzletember is volt, ami Teslával
való kapcsolatában és az Amerikában „Áramok harca” néven ismert konfliktusban
szembetűnően megmutatkozott. A transzformátor feltalálásakor az Edison-féle
egyenáramú rendszer New York több pontján működött már a gazdag emberek
lakásaiban és néhány ipari üzemben. Pár év telt csak el, hogy az egyenáramú
rendszert elkezdték bevezetni, de máris megjelent a rivális váltóáram. Edison
szilárdan kitartott az egyenáramú áramellátó rendszer életképessége mellett,
ami alighanem élete legnagyobb tévedése volt. A váltakozóáram megjelenése, majd
térnyerése komolyan veszélyeztette cégeinek jövőjét, amelyek mindegyike
egyenáramú gépeket gyártott vagy üzemeltetett. Az egyenáramot és
váltakozóáramot szolgáltató erőművek tulajdonosai között kíméletlen
konkurenciaharc indult a fennmaradásért, ill. a minél nagyobb piaci részesedés
megszerzéséért. Edisonnak már igen sok találmánya volt, egész életében több
mint ezer, melyek közül a legtöbb jelentéktelen, de a legjövedelmezőbbek mind
az egyenáramú gépekkel és energiaellátással voltak kapcsolatosak. Az akkor már
világhírű feltaláló mindent megtett, hogy megállítsa a konkurenciát, amelyet
először a gáztársaságok jelentettek, hiszen akkoriban a gázvilágítás volt az
egyeduralkodó, gőzgépek mellett gázmotorokkal hajtották az üzemekben a
munkagépeket, és sok helyen gázzal fűtöttek. Edison újságírókat fizetett meg,
hogy nagy hírveréssel jelentsenek be minden gázrobbanást, minden gázzal
kapcsolatos balesetet és sérülést, így a kemény propaganda segítségével lassan
visszaszorította és tönkretette a gáztársaságokat. Minden befolyását latba
vetve barátai segítségével New York állam törvényhozásában megpróbálta elérni,
hogy ne lehessen 800 voltnál nagyobb feszültséget használni, ami persze
ellehetetlenítette volna a váltóáram nagyobb távolságra történő szállítását,
hiszen a váltakozóáram előnyei ily módon nem mutatkozhattak volna meg. 1888
elején kiadott egy 84 oldalas propagandaanyagot a váltóáram veszélyességéről,
melyben tényszerűen leírta a nagyfeszültség használatának veszélyeit. A
váltóárammal villamosított épületek lakóit azzal ijesztgette, hogy ha a
feszültségcsökkentést végző transzformátor nem működik megfelelően, akkor az
egész ház egy halálkamrává alakul át. Azt sugalmazta az olvasóknak, hogy a
váltóáram terjesztői gonosztevők, akik nem törődnek az emberek testi épségével.
1888 decemberében Edison iskolás gyerekekkel darabonként 25 centért kutyákat és
macskákat lopatott, és megengedte Harold P. Brown villamosmérnöknek, hogy
kísérleteket végezzen a Menlo Parkban működő laboratóriumában. A háziállatokat
váltóárammal kivégezték, majd Edison visszadobatta őket tulajdonosaik udvarába
azt a látszatot keltve, hogy a házba bevezetett váltóáram ölte meg őket
véletlenül. Edisonnak kedvezett az a körülmény, hogy éppen akkoriban kerestek
új módszereket a halálbüntetések végrehajtására. A kérdéssel foglalkozó hivatal
az elektromos áram okozta balesetek alapján úgy gondolta, hogy a váltóárammal
végrehajtandó kivégzés humánusabb lehet az akasztásnál, ezért Edisonhoz
fordultak segítségért. Bár Edison eleinte hallani sem akart arról, hogy neki
ehhez bármi köze legyen, később mégis minden eszközt felhasznált riválisai –
Westinghouse és Tesla – megállítására, és javasolta a hivatalnak, hogy
legmegfelelőbb módja a kivégzésnek a Westinghouse cég generátora által
fejlesztett váltóáram. 1888-ban a kongresszus elfogadta az elektromos árammal
történő kivégzést és 1889. január 1.-én be is vezették. A villamosszékben
végrehajtott kivégzésekre vonatkozólag Edison az újságokban elterjesztette a
„Westinhousálni” kifejezést, ami nyilvánvalóan nem növelte a váltakozóáram
népszerűségi indexét. Westinghouse és Tesla nem kapcsolódtak be az
acsarkodásba. Ehelyett keményen dolgoztak és Tesla több mint negyven
szabadalmat jelentett be ebben az időszakban a váltakozóáram termelésével és
elosztásával kapcsolatban. 1888-ban Tesla előadást tartott az Amerikai
Mérnökegyletben, „Váltóáramú generátorok és transzformátorok új rendszere”
címmel, amelyben ismertette a váltóáram előállítását és hatékony szállítását
lehetővé tevő fejlesztéseket. Bár az áramok harca (War of Currents) Amerikában
folyt,
A háború Európában dőlt el. 1891. május 16.-a és október 19.-e
között Németországban a Majna menti Frankfurtban Nemzetközi Elektrotechnikai
Kiállítást rendeztek. Helyszínéül az akkor már használaton kívül helyezett
Wstbahnhöfe azaz Nyugati-Pályaudvar területét választották. Az
Elektrotechnische Gesellschaft (Elektrotechnikai Egyesület) 1881-ben
Frankfurtban alakult azzal a céllal, hogy elősegítse a villamosenergia
termelésével, szállításával kapcsolatos kutatásokat, különös tekintettel az
ipari felhasználás technológiáira. 1890 körül már létrejött néhány olyan
vállalkozás Frankfurtban, amelyek később elismert tekintélyek lettek az
elektrotechnikában: Hartmann & Braun, Staudt&Voight (1891-től
Voight&Haefner), és a W Lahmeyer& Co. (1893-tól Elektrizitats-AG). Ez
volt a második ipari forradalom, amely – mint száz évvel korábban a gőzgép –
most az elektromos áram által hozott jelentős változásokat az emberiség
életébe, mely változások közös nevezője: az energia. Németország
elektrotechnikai ipara készen állt arra, hogy bizonyítsa képességeit a világ
számára, ezt szolgálta Frankfurtban a Nemzetközi Elektrotechnikai Kiállítás,
valamint azt, hogy eldöntse az áramok harcát.
A kiállítás egyik csúcspontja és kiemelt látványossága volt a
háromfázisú váltakozóáram lehetőségeit és előnyeit demonstráló, a Neckar menti
Lauffen és a Majna menti Frankfurt között kiépített 175 km-es távvezeték. A
vezetéken a Lauffen városa mellett, a Neckar folyón épített vízerőmű áramát
szállították háromfázisú rendszerben Frankfurtba. A vízturbinával hajtott 32
pólusú, 300 lóerős (220 kW-os) háromfázisú generátor 55 V kapocsfeszültséget
állított elő, amit olajtranszformátorral feltranszformáltak 8000 V vonali
feszültségre. (Később 25.000 V feszültségen végeztek kísérleteket). A német
posta segítségével épült távvezetékhez 3000 oszlopon, 9000 szigetelőn 60 tonna
4 mm átmérőjű rézvezetéket használtak fel. Frankfurtban, a kiállításon a 8 kV-os
feszültséget szintén olajtranszformátorral letranszformálták a szokásos
kisfeszültségre, amivel a világításon kívül egy háromfázisú motorral hajtott
szivattyúval mesterséges vízesést működtettek. Az átlagosan 75%-os
kihasználtsággal lefolytatott öthónapos kísérleti üzem során bebizonyosodott a
váltakozóáram feszültséglépcsőzésen alapuló, Ganz szabadalomra épülő rendszere,
illetve annak háromfázisú rendszerré fejlesztett változatának, s általában a
távolsági energiaátvitelnek életképessége. Ettől kezdve a háromfázisú villamos
erőátvitel rendszere a közcélú villamos hálózatokon egyeduralkodóvá vált, amely
már főleg Nikola Tesla érdeme.
Érdekes, hogy amikor a megmérettetés ötlete fölmerült, a német
villamosipari körök egyenesen elutasították a vetélkedés gondolatát – mintegy
érezve vereségüket – ők ugyanis az egyenáram oldalán küzdöttek Emil Rathenau
mérnökkel az élen. A Német Edison Társaság, a későbbi AEG ugyanis magáénak
érezte az európai piacot, és féltékenyen küzdöttek az üzleti ellenség ellen.
Végül külföldi anyagi és műszaki támogatással vált lehetővé a megmérettetés
végrehajtása. A kísérletek során Frankfurtban összeült egy nemzetközi bíráló bizottság,
mely a korszak legkiválóbb és nemzetközileg elismert elektrotechnikusaiból és
fizikusaiból állt, s a műszaki kérdéseket véglegesen tisztázta.
Megállapították, hogy nagyobb távolságra csak váltakozóáram szállítható, hogy a
váltakozóárammal táplált ívlámpák egyenértékűek az egyenárammal tápláltakkal,
és a váltakozóáramú elektromotorok is minden kívánalomnak megfelelnek. A
kísérletekhez Ganz gyártmányú váltakozóáramú motorokat használtak, mert mindenki
egyenáramú gépeket gyártott, így mást egyszerűen nem tudtak beszerezni.
A frankfurti kiállítás másik
csúcspontja volt a 220 kW-os Ganz gyártmányú háromfázisú motor (ugyancsak nem
tudtak más gyártmányt beszerezni), amely 175 km távolságból érkező energiával
hajtott meg egy szivattyút, az pedig egy mesterséges vízesést működtetett. A
falon lévő térképen a távvezeték nyomvonala látható.
A Lauffen-Frankfurt 175 km-es távvezeték
nyomvonala.
A váltakozóáram,
kiváltképp a Tesla által feltalált és Dolivo-Dobrovolsky által lelkesen
támogatott háromfázisú rendszer előnyeit természetesen mások is észrevették, és
egymás után kezdték lopkodni Tesla szabadalmait, mások pedig azt állították,
hogy ők találták ki, mégpedig hamarabb.
Michail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky
(1862-1919) háromfázisú indukciós motorja 1889-ből. (Reprodukció.)
Miért három a fázis? Miután az áramok harca egyszer s
mindenkorra eldőlt, az egyenáram hívei vereséget szenvedtek a váltakozóáram elleni
harcukban, de még hosszú évek teltek el, mire teljesen kiszorultak a villamos
világítás területéről. Az első, aki nem csak gyakorlati tapasztalatok alapján,
hanem elméleti síkon is mélyen megértette a háromfázisú rendszer hatékonyságát,
Charles Proteus Steinmetz (1865-1923) porosz származású amerikai matematikus, a
General Electric Co. mérnöke volt. Kiszámította, hogy a többfázisú rendszerben
akkor leggazdaságosabb az energia átvitel, ha a fázisok száma: „e”, vagyis a
természetes alapú logaritmus alapszáma, ami 2,718… Ez persze fizikailag nem
értelmezhető, mert a fázisok száma csak természetes szám lehet, a legközelebbi
természetes szám pedig: a 3. Ezért használunk ma is háromfázisú rendszert.
Növekvő feszültségszintek Az erőátviteli hálózatokon kezdetben
ugyanolyan porcelánszigetelőket alkalmaztak, mint a távíró-és
telegráf-vonalakon. Ezek alkalmazhatóságának határt szabott a szigetelők
anyagából és méretéből adódó átütési szilárdság, ami 40 kV-ra adódott. 1907-ben
Harold W. Buck és Edward M. Hawlett feltalálták a tányér alakú szigetelőt,
amelyekből többet sorba kapcsolva tetszőleges hosszúságú szigetelőláncot lehet
kialakítani. A villamos erőátvitel feszültségszintjei az egész XX. század során
emelkedtek. 1914-re már 55, 70 kV-nál nagyobb feszültségszintű hálózat
működött, a legnagyobb feszültségszint 150 kV volt. Az első közcélú háromfázisú
erőátviteli távvezeték 1912-ben létesült Németországban Lauchammer és Riesa
között 110 kV feszültséggel. Az iparilag fejlett országokban a XX. század eleji
gyors iparosodás a villamos távvezetékeket és hálózatokat a gazdasági
infrastruktúra stratégiailag fontos részévé tette. A helyi erőművek és a
regionális hálózatok összekapcsolásának a legnagyobb lökést az első
világháború/olajháború adta. A kormányok ugyanis a fogyasztói igényeket
sokszorosan meghaladó, nagy teljesítményű erőműveket építtettek, hogy
energiával láthassák el a lőszergyárakat. A háború után, amikor már nem volt
szükség a hadiipar kiszolgálására, ezeket az erőműveket a közcélú hálózatra
kapcsolták, hogy ellássák a lakossági igényeket.
1929.
április 17.-én elkészült az első 220 kV-os távvezeték Németországban, a Köln
melletti Brauweiler és a Frankfurt melletti Kelsterbach-on, a Mannheim melletti
Rheinau-n keresztül Ludwigsburg-Hoheneck között, Ausztriában. A távvezeték
nagyrészét úgy tervezték, hogy feszültségét később 380 kV-ra lehessen emelni,
de erre csak 1957. október 5.-én került sor a rommerskirchen-i alállomás és
Ludwigsburg-Hoheneck között. Az első ultra nagyfeszültségű távvezetéket
1967-ben helyezték üzembe 735 kV feszültségen, ez volt a Hydro-Quebec vezeték.
Az első 1200 kV-os átvitel 1982-ben létesült a Szovjetúnióban a mai Kazahsztán
területén, amely ma 400 kV-on üzemel.
Újra előtérbe kerül az egyenáram A nagytávolságú, nagyfeszültségű váltakozóáramú
energiaátvitelnek aztán megmutatkoztak a korlátai is, nevezetesen az, hogy a
nagy térerősség általi lüktető kisugárzás és ohmos levezetés, valamint az ún. koronakisülés
miatt jelentős veszteségek keletkeznek. Aki hallott már távvezetéket, vagy
vasúti felsővezetéket zizegni a ködben, az tudja, miről van szó. 400 kV-tól
kezdve már gondot okoz a vezeték kapacitása is, illetve az ebből származó
kapacitív töltőáramoknak a terheléshez viszonyított nagy értékei, továbbá az
induktív feszültség összetevők is veszélyeztetik a rendszer stabilitását és az
átvitel gazdaságosságát. Mivel az energia (de nem az áram) a vezető felületén
fénysebességgel terjed, ezért pl. 1500 km-re a tápponttól az 50Hz-es
váltakozófeszültség már egy negyed periódussal lemarad. Az efféle jelenségekből
származó problémák leküzdésének kényszere új műszaki megoldások kidolgozására
sarkallta a mérnököket, aminek eredményeként poraiból feltámadva újra előkerült
az egyenáramú erőátvitel koncepciója. Ez persze egyáltalán nem jelenti azt,
hogy Edisonnak igaza lett volna, mert az új koncepció most már nagyfeszültségű
kivitelben reinkarnálódik, minőségi ugrást jelent, s ily módon elmaradnak a föntebb említett,
reaktanciákból származó veszteségek. Ráadásul a vezetékelrendezés és a
kapcsolóberendezések kialakítása is egyszerűbb, mint háromfázisú átvitel
esetén. A régi elgondolásból született első, nem kísérleti, hanem már közüzemi
egyenáramú átvitel az 1950-es években valósult meg a Balti-tengerben a parttól
96 km-re fekvő Gotland sziget ellátására. A sziget 30 kV-os, 20 MW-os
háromfázisú hálózatát 100 kV-os egyenáramú tengeralatti kábellel kötötték össze
a szárazföld 132 kV-os háromfázisú alaphálózatával. Szintén egyenáramú erőátvitelt
valósítottak meg a volt Szovjetúnió több területén az egyes regionális
rendszerek között, ahol a legnagyobb egy 500 km hosszú, 400 kV-os egyenáramú
vezeték. A kisebb szigetek energiaellátását is gyakran tengeralatti egyenáramú
kábelekkel valósítják meg, akár kisebb (30 km körüli) távolságok esetén is. Az
egyenáram előállítására és visszaváltására a szilícium félvezetők kifejlesztése
előtt ún. mutátorokat és transzvertereket, később higanygőz egyenirányítókat
használtak, ma diódákat és tirisztorokat. A nagytávolságú transzkontinentális
villamosenergia átvitel a technika jelenlegi állása szerint gazdaságosan
nagyfeszültségű egyenárammal oldható csak meg.
