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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Stromübertragung über große Entfernungen. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Eine Stromübertragungsleitung (PTL) ist eine der Komponenten des Stromnetzes, eines Systems von Energiegeräten, das zur Übertragung von Elektrizität durch elektrischen Strom dient. Auch eine elektrische Leitung als Teil eines solchen Systems, die über das Kraftwerk oder Umspannwerk hinausgeht.
Im letzten Drittel des XNUMX. Jahrhunderts wurde das Energieproblem in vielen großen Industriezentren Europas und Amerikas sehr akut. Wohngebäude, Transportmittel, Fabriken und Werkstätten verlangten immer mehr Brennstoff, der aus der Ferne herbeigeschafft werden musste, wodurch der Preis ständig stieg. In dieser Hinsicht begannen sie hier und da, sich der Wasserkraft von Flüssen zuzuwenden, die viel billiger und zugänglicher ist. Gleichzeitig wuchs überall das Interesse an elektrischer Energie. Dass diese Energieform äußerst komfortabel ist, ist schon lange bekannt: Strom lässt sich einfach erzeugen und genauso einfach in andere Energiearten umwandeln, einfach über eine Distanz übertragen, liefern und zerkleinern. Die ersten Kraftwerke waren meist ein mit einer Dampfmaschine oder Turbine verbundener elektrischer Generator und sollten einzelne Objekte (z. B. eine Werkstatt oder ein Haus, im Extremfall ein Viertel) mit Strom versorgen. Ab Mitte der 80er Jahre begann man mit dem Bau zentraler Stadtkraftwerke, die Strom hauptsächlich für die Beleuchtung lieferten. (Das erste derartige Kraftwerk wurde 1882 in New York unter der Leitung von Edison gebaut.) Der Strom wurde durch starke Dampfmaschinen erzeugt. Doch Anfang der 90er-Jahre wurde klar, dass das Energieproblem auf diese Weise nicht zu lösen war, da die Leistung der im Zentrum der Stadt gelegenen Zentralstationen nicht sehr groß sein konnte. Sie verwendeten dieselbe Kohle und dasselbe Öl, das heißt, sie lösten das Problem der Kraftstoffversorgung nicht. Es war billiger und praktischer, Kraftwerke an Orten mit billigen Brennstoff- und Wasserressourcen zu bauen. Aber in der Regel waren Gebiete, in denen es möglich war, billigen Strom in großen Mengen zu erhalten, um Dutzende und Hunderte von Kilometern von Industriezentren und Großstädten entfernt. So entstand ein weiteres Problem - die Übertragung von Strom über große Entfernungen. Die ersten Experimente in diesem Bereich gehen auf den Anfang der 70er Jahre des XNUMX. Jahrhunderts zurück, als hauptsächlich Gleichstrom verwendet wurde. Sie zeigten, dass sobald die Länge des Verbindungskabels zwischen dem Stromgenerator und dem Motor, der diesen Strom verbraucht, mehrere hundert Meter überschritt, aufgrund großer Energieverluste im Kabel eine deutliche Leistungsminderung im Motor zu spüren war. Dieses Phänomen ist leicht zu erklären, wenn wir uns an die thermische Wirkung des Stroms erinnern. Der Strom, der durch das Kabel fließt, erwärmt es. Diese Verluste sind umso größer, je größer der Widerstand des Drahtes und die Stärke des durch ihn fließenden Stroms ist. (Die freigesetzte Wärmemenge Q lässt sich leicht berechnen. Die Formel sieht so aus: Q=RI2, wobei I die Stärke des durchfließenden Stroms ist, R der Kabelwiderstand ist. Offensichtlich ist der Widerstand des Drahtes umso größer, je größer seine Länge und je kleiner sein Querschnitt ist. Wenn wir in dieser Formel I=P/U nehmen, wobei P die Leistung der Leitung und U die aktuelle Spannung ist, dann nimmt die Formel die Form Q=RP2/U2 an. Daraus ist ersichtlich, dass die Wärmeverluste umso geringer sind, je höher die Spannung ist.) Es gab nur zwei Möglichkeiten, die Verluste in der Stromleitung zu reduzieren: entweder den Querschnitt der Übertragungsleitung erhöhen oder die Spannung erhöhen. Eine Erhöhung des Querschnitts des Drahtes erhöhte jedoch seine Kosten erheblich, da dann ziemlich teures Kupfer als Leiter verwendet wurde. Viel mehr Gewinn versprach der zweite Weg. 1882 wurde unter der Leitung des berühmten französischen Elektroingenieurs Despres die erste 57 km lange Gleichstromleitung von Miesbach nach München gebaut. Die Energie des Generators wurde auf einen Elektromotor übertragen, der die Pumpe antreibt. In diesem Fall erreichten die Verluste im Draht 75 %. 1885 führte Despres ein weiteres Experiment durch und führte eine Kraftübertragung zwischen Creil und Paris über eine Entfernung von 56 km durch. In diesem Fall wurde eine Hochspannung verwendet, die 6 Volt erreichte. Die Verluste gingen auf 55 % zurück. Dass durch eine Erhöhung der Spannung der Wirkungsgrad der Leitung deutlich gesteigert werden konnte, lag auf der Hand, allerdings war dazu der Bau von Hochspannungs-Gleichstromgeneratoren notwendig, was mit großen technischen Schwierigkeiten verbunden war. Auch bei dieser relativ niedrigen Spannung musste Despres ständig seinen Generator reparieren, in dessen Wicklungen hin und wieder ein Ausfall auftrat. Andererseits konnte kein Hochspannungsstrom verwendet werden, da in der Praxis (und hauptsächlich für Beleuchtungszwecke) eine sehr kleine Spannung, etwa 100 Volt, erforderlich war. Um die Gleichspannung zu senken, musste ein komplexes Umrichtersystem gebaut werden: Der Hochspannungsstrom trieb den Motor an, der wiederum den Generator drehte, der einen niedrigeren Spannungsstrom lieferte. Gleichzeitig nahmen die Verluste noch weiter zu und die Idee, Strom zu übertragen, wurde wirtschaftlich unrentabel. Wechselstrom schien für die Übertragung bequemer zu sein, schon weil er leicht transformiert werden konnte, dh seine Spannung konnte über einen sehr weiten Bereich erhöht und dann verringert werden. 1884 führte Golyar auf der Turiner Ausstellung eine Stromübertragung über eine Entfernung von 40 km durch und erhöhte die Spannung in der Leitung mit Hilfe seines Transformators auf 2 Volt. Diese Erfahrung lieferte gute Ergebnisse, führte jedoch nicht zu einer weit verbreiteten Entwicklung der Elektrifizierung, da Einphasen-Wechselstrommotoren, wie bereits erwähnt, Gleichstrommotoren in allen Belangen unterlegen waren und keine Verteilung hatten. Daher war es unrentabel, Einphasen-Wechselstrom über große Entfernungen zu übertragen. In den folgenden Jahren wurden zwei Systeme von Mehrphasenströmen entwickelt - Teslas zweiphasiger und Dolivo-Dobrovolskys dreiphasiger. Jeder von ihnen behauptete eine beherrschende Stellung in der Elektrotechnik. Welchen Weg soll die Elektrifizierung gehen? Zunächst wusste niemand die genaue Antwort auf diese Frage. In allen Ländern gab es eine lebhafte Diskussion über die Vor- und Nachteile der jeweiligen Stromsysteme. Sie alle hatten ihre glühenden Anhänger und erbitterten Gegner. Eine gewisse Klarheit in dieser Frage wurde erst im nächsten Jahrzehnt erreicht, als ein bedeutender Durchbruch bei der Elektrifizierung erzielt wurde. Die Frankfurter Weltausstellung von 1891 spielte dabei eine große Rolle. Ende der 80er Jahre stellte sich die Frage nach dem Bau eines zentralen Kraftwerks in Frankfurt am Main. Viele in- und ausländische Firmen boten den städtischen Behörden verschiedene Möglichkeiten für Projekte mit Gleich- oder Wechselstrom an. Der Oberbürgermeister von Frankfurt war offensichtlich in einer schwierigen Lage: Er konnte keine Wahl treffen, wo selbst viele Spezialisten es nicht konnten. Um die strittige Frage zu klären, wurde beschlossen, eine seit langem geplante internationale Elektroausstellung in Frankfurt zu veranstalten. Hauptziel war es, die Übertragung und Verteilung elektrischer Energie in verschiedenen Systemen und Anwendungen zu demonstrieren. Auf dieser Ausstellung konnte jedes Unternehmen seinen Erfolg demonstrieren, und eine internationale Kommission der maßgeblichsten Wissenschaftler musste alle Exponate einer gründlichen Untersuchung unterziehen und die Frage nach der Wahl der Stromart beantworten. Zu Beginn der Ausstellung mussten verschiedene Unternehmen ihre Stromübertragungsleitungen bauen, und einige wollten die Übertragung von Gleichstrom, andere - Wechselstrom (sowohl einphasig als auch mehrphasig) demonstrieren. Die Firma AEG wurde beauftragt, die Stromübertragung von der Stadt Laufen nach Frankfurt über eine Distanz von 170 km zu realisieren. Damals war es eine riesige Distanz, und viele fanden die Idee an sich fantastisch. Dolivo-Dobrovolsky war jedoch so überzeugt von dem System und den Möglichkeiten des Drehstroms, dass er Direktor Rothenau überredete, dem Experiment zuzustimmen. Als die ersten Berichte über das Antriebsprojekt Laufen-Frankfurt auftauchten, waren Elektroingenieure weltweit in zwei Lager gespalten. Einige begrüßten diese mutige Entscheidung begeistert, andere hielten sie für eine laute, aber grundlose Werbung. Mögliche Energieverluste wurden berechnet. Einige glaubten, dass sie 95 % betragen würden, aber selbst die größten Optimisten glaubten nicht, dass die Effizienz einer solchen Linie 15 % übersteigen würde. Die bekanntesten Autoritäten auf dem Gebiet der Elektrotechnik, darunter der berühmte Despres, äußerten Zweifel an der wirtschaftlichen Machbarkeit dieses Unterfangens. Dolivo-Dobrovolsky gelang es jedoch, die Unternehmensleitung von der Notwendigkeit zu überzeugen, die angebotene Stelle anzunehmen. Da bis zur Eröffnung der Ausstellung nur noch wenig Zeit blieb, ging der Bau der Stromleitung in großer Eile voran. Sechs Monate lang musste Dolivo-Dobrovolsky einen asynchronen 100-PS-Motor von beispielloser Leistung entwerfen und bauen. und vier Transformatoren für 150 Kilowatt, obwohl die maximale Leistung von Einphasentransformatoren damals nur 30 Kilowatt betrug. Von Versuchsanordnungen konnte keine Rede sein, dafür fehlte einfach die Zeit. Auch der eingebaute Motor und die Transformatoren konnten im Werk nicht getestet werden, da es in Berlin keinen Drehstromgenerator der entsprechenden Leistung gab (der Generator für das Bahnhof Laufen wurde in Erlikson gebaut). Folglich mussten alle Elemente der Kraftübertragung direkt auf der Messe im Beisein vieler Wissenschaftler, Vertreter konkurrierender Firmen und unzähliger Korrespondenten eingeschaltet werden. Der kleinste Fehler wäre unverzeihlich. Darüber hinaus lag die gesamte Verantwortung für die Planungs- und Installationsarbeiten während des Baus von Stromleitungen auf den Schultern von Dolivo-Dobrovolsky. Eigentlich war die Verantwortung noch größer – schließlich entschied sich nicht nur die Frage über die Karriere von Dolivo-Dobrovolsky und das Ansehen der AEG, sondern auch darüber, welchen Weg die Entwicklung der Elektrotechnik nehmen würde. Dolivo-Dobrovolsky verstand die Bedeutung der vor ihm liegenden Aufgabe perfekt und schrieb später: „Wenn ich meinen Drehstrom nicht unauslöschlich beschämen und ihm Misstrauen aussetzen wollte, das sich später kaum schnell auflösen könnte, war ich es verpflichtet, diese Aufgabe zu übernehmen und zu lösen, denn sonst wären die Laufen-Frankfurter Versuche und vieles, was später auf ihrer Grundlage entwickelt werden sollte, den Weg der Verwendung eines Einphasenstroms gegangen. In Laufen wurde in kurzer Zeit ein Kleinwasserkraftwerk gebaut. 300-PS-Turbine drehte einen Drehstromgenerator, konstruiert und gebaut, wie bereits erwähnt, im Werk in Erlikson. Vom Generator führten drei dicke Kupferdrähte zur Schalttafel. Hier wurden Amperemeter, Voltmeter, Bleisicherungen und Thermorelais eingebaut. Von der Schalttafel gingen drei Kabel zu drei dreiphasigen "prismatischen" Transformatoren. Die Wicklungen aller Transformatoren wurden im Stern geschaltet. Es sollte eine Stromübertragung mit einer Spannung von 15 Volt durchführen, aber alle Berechnungen wurden für die Arbeit mit 25 Volt durchgeführt. Um eine so hohe Spannung zu erreichen, war geplant, an jedem Ende der Leitung zwei Transformatoren einzubauen, sodass ihre Niederspannungswicklungen parallel und die Hochspannungswicklungen in Reihe geschaltet waren. Von den Transformatoren in Laufen begann eine Dreidrahtleitung, aufgehängt an 3182 Holzmasten mit einer Höhe von 8 und 10 m und einer durchschnittlichen Spannweite von 60 m. Es gab keine Weichen auf der Leitung. Um den Strom bei Bedarf schnell abzuschalten, wurden zwei Originalgeräte mitgeliefert. Beim Wasserkraftwerk Laufen wurden zwei Stützen im Abstand von 2 m zueinander installiert. Hier wurde in die Unterbrechung jeder Ader der Leitung ein Schmelzeinsatz, bestehend aus zwei Kupferdrähten mit einem Durchmesser von 5 mm, eingebracht. In Frankfurt und in der Nähe von Bahnhöfen (ein Teil der Strecke verlief entlang der Bahngleise) wurden sogenannte Eckverschlüsse eingebaut. Jeder von ihnen war eine Metallstange, die an einer Schnur an einer L-förmigen Stütze aufgehängt war. Es genügte, an der Schnur zu ziehen, und der Strahl fiel auf alle drei Drähte und erzeugte einen künstlichen Kurzschluss, der dazu führte, dass die Sicherungen in Laufen durchbrannten und die gesamte Leitung stromlos wurde. In Frankfurt gingen die Drähte zu Abwärtstransformatoren (sie befanden sich auf der Ausstellung in einem speziellen Pavillon), die die Ausgangsspannung auf 116 Volt reduzierten. Einer dieser Transformatoren war an 1000 Glühlampen mit je 16 Kerzen (55 Watt) angeschlossen, an den anderen - einen großen dreiphasigen Dolivo-Dobrovolsky-Motor, der sich in einem anderen Pavillon befand. Die Netzspannung des Generators in Laufen betrug 95 Volt. Der Aufwärtstransformator hatte ein Übersetzungsverhältnis von 154. Daher betrug die Betriebsspannung in der Stromleitung 14650 Volt (95 × 154). Für die damalige Zeit war es eine sehr hohe Spannung. Die Regierungen der Länder, durch die die Stromleitung führte, waren durch ihren Bau alarmiert. Manche hatten Angstgefühle sogar vor Holzpfählen, auf denen Tafeln mit Totenköpfen befestigt waren. Besonders besorgniserregend war die Möglichkeit eines Kabelbruchs und dessen Sturz auf die Eisenbahnschienen. Das Ausstellungskomitee und die Leitungsbauer mussten viel Aufklärungsarbeit leisten, um die Regierungsbeamten davon zu überzeugen, dass alle möglichen Gefahren vorhersehbar waren und die Leitung zuverlässig geschützt war. Die badische Verwaltung erlaubte den Anschluss des Teilstücks der bereits fertiggestellten Strecke an der badischen Grenze noch immer nicht. Um die letzten Hindernisse zu beseitigen und die Zweifel der örtlichen Behörden zu zerstreuen, führte Dolivo-Dobrovolsky ein gefährliches, aber sehr überzeugendes Experiment durch. Bei der ersten Inbetriebnahme der Strecke wurde einer der Drähte an der badisch-hessischen Grenze künstlich gekappt und fiel mit hellem Blitz auf die Bahngleise. Dolivo-Dobrovolsky kam sofort und hob den Draht mit bloßen Händen auf: Er war sich so sicher, dass der von ihm entworfene Schutz funktionieren würde. Diese „Methode“ des Nachweises erwies sich als sehr anschaulich und beseitigte das letzte Hindernis vor dem Testen der Leitung. Am 25. August 1891 um 12 Uhr blitzten in der Ausstellung zum ersten Mal 1000 elektrische Lampen auf, die mit dem Strom des Wasserkraftwerks Laufen betrieben wurden. Diese Lampen umrahmten die Schilde und den Bogen über dem Eingang zu jenem Ausstellungsteil, dessen Exponate zur Freileitung Laufen-Frankfurt gehörten. Am nächsten Tag wurde ein 75-Kilowatt-Motor erfolgreich getestet, der am 12. September erstmals einen zehn Meter hohen Wasserfall antreibt. Trotz der Tatsache, dass die Leitung, Maschinen, Transformatoren und Schalttafeln in Eile hergestellt wurden (einige Details wurden laut Dolivo-Dobrovolsky in nur einer Stunde durchdacht), wurde die gesamte Installation ohne vorherige Tests zur Überraschung von eingeschaltet Einige und zur Freude anderer begannen sofort gut zu funktionieren. Der Wasserfall hinterließ bei den Besuchern der Ausstellung einen besonderen Eindruck. Menschen, die sich in Sachen Physik und Elektrotechnik besser auskennen, freuten sich an diesem Tag jedoch nicht über einen riesigen Wasserfall, der mit Tausenden von Glasspritzern funkelte und von Dutzenden bunter Lampen beleuchtet wurde. Ihre Freude war mit der Erkenntnis verbunden, dass dieser schöne künstliche Wasserfall von einer Quelle gespeist wird, die 170 km entfernt am Neckar in der Nähe der Stadt Laufen liegt. Sie sahen eine brillante Lösung für das Problem der Kraftübertragung über große Entfernungen vor sich. Im Oktober begann eine internationale Kommission mit der Prüfung der Übertragungsleitung Laufen-Frankfurt. Es wurde festgestellt, dass die Übertragungsverluste nur 25 % betrugen, was ein sehr guter Wert war. Im November wurde die Leitung mit 25 Volt getestet. Gleichzeitig stieg der Wirkungsgrad und die Verluste gingen auf 21% zurück. Die große Mehrheit der Elektriker aus aller Welt (mehr als eine Million Menschen besuchten die Ausstellung) schätzte die Bedeutung des Laufen-Frankfurt-Experiments. Der Drehstrom erhielt eine sehr hohe Wertschätzung und ihm wurde von nun an der breiteste Weg in die Industrie geöffnet. Dolivo-Dobrovolsky wurde sofort zu einem der weltweit führenden Elektroingenieure, und sein Name wurde weltberühmt.
Damit war das Hauptenergieproblem des späten XNUMX. Jahrhunderts gelöst – das Problem der Zentralisierung der Stromerzeugung und deren Übertragung über große Entfernungen. Allen wurde klar, wie ein mehrphasiger Strom von einem weit entfernten Kraftwerk zu jeder einzelnen Werkstatt und dann zu einer einzelnen Maschine gebracht werden kann. Die unmittelbare Folge des Aufkommens der Drehstromtechnik war, dass in den Folgejahren in allen entwickelten Ländern der rasante Bau von Kraftwerken und die weitestgehende Elektrifizierung der Industrie begannen. In den Anfangsjahren wurde es zwar noch durch einen heftigen Kampf zwischen konkurrierenden Unternehmen erschwert, die versuchten, die eine oder andere Art von Strom einzuführen. So übernahm in Amerika zunächst die Firma Westinghouse, die nach dem Aufkauf von Teslas Patenten versuchte, einen Zweiphasenstrom zu verteilen. Der Siegeszug des Zweiphasensystems war 1896 der Bau eines mächtigen Wasserkraftwerks an den Niagarafällen. Aber Drehstrom wurde bald allgemein als der beste anerkannt. Tatsächlich benötigte ein zweiphasiges System vier Drähte und ein dreiphasiges System nur drei. Neben größerer Einfachheit versprach es deutliche Kosteneinsparungen. Später schlug Tesla nach dem Vorbild von Dolivo-Dobrovolsky vor, zwei Rückleitungen miteinander zu kombinieren. In diesem Fall addierten sich die Ströme, und im dritten Draht floss ein Strom, der ungefähr 1,4-mal größer war als in den anderen beiden. Daher war der Querschnitt dieses Drahtes 1-mal größer (ohne diese Erhöhung des Querschnitts traten Überlastungen im Stromkreis auf). Infolgedessen fielen die Kosten für eine zweiphasige Verkabelung immer noch höher aus als für eine dreiphasige, während zweiphasige Motoren dreiphasigen in jeder Hinsicht unterlegen waren. Im 4. Jahrhundert hat sich überall das Dreiphasensystem durchgesetzt. Auch das Kraftwerk Niagara wurde schließlich auf Drehstrom umgestellt. Autor: Ryzhov K.V.
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