Війна струмів

Генератори постійного струму легко підключаються паралельно, необхідно лише дотримуватись полярності. Щоб подавати в електричну мережу змінний струм, необхідною є синхронізація генератора змінного струму з енергосистемою за частотою і фазою. Це суттєво ускладнює конструкцію генератора.

При зростанні відстані зростає електричний опір провідників, а також втрати на їх нагрівання. При створенні електричної лінії, розрахованої на передавання певної потужності, суттєво знизити втрати можна лише через зменшення електричного опору (збільшуючи площу поперечного перерізу провідників) або через підвищення напруги (що приведе до зменшення струму). Щоб учетверо знизити втрати, треба або учетверо знизити опір, або удвічі підвищити напругу одночасно зменшивши удвічі струм (W = I²R). Таким чином, передача електричної енергії на великі відстані є можливою лише при використанні високої напруги.

Ефективних способів змінювати напругу постійного струму на кінець XIX та початок XX століття не існувало. В електростанціях Едісона використовувалась електрична напруга, близька до споживчої — від 100 до 200 вольт. Такі електростанції не дозволяли передавати споживачеві великі потужності. В результаті, ефективно використовувати генеровану електричну енергію могли споживачі, що розташовані на відстані, яка не перевищує 1,6 км від електростанції. Подолати це обмеження можна було складними і дорогими заходами: використанням товстих провідників або будівництвом цілої мережі місцевих електростанцій. Іншими словами, підхід Едісона не дозволяв побудувати потужну електростанцію, що постачала б енергію на цілий регіон, так само як і побудувати потужну ГЕС у відповідному для цього місці, віддаленому від споживача.

Напруга змінного струму легко змінюється за допомогою трансформаторів (ККД до 99%). Це дає можливість як передавати струм по магістральних лініях високої напруги на великі відстані (сотні кілометрів), так і будувати мережу високовольтних ліній меншої напруги для постачання енергії на трансформаторні підстанції, а потім і споживачам. З тієї ж причини змінний струм є універсальнішим для вирішення інших, ніж освітлення, виробничих чи побутових задач.

Необхідних двигунів змінного струму на момент появи електричних мереж взагалі не існувало — лише у 1888 році Нікола Тесла винайшов асинхронний електродвигун, чим остаточно схилив чашу терезів на бік Дж. Вестінгауза.

Винайдений Едісоном лічильник електричної енергії також міг використовуватись лише для постійного струму.

У 1878 році Едісон засновує компанію «Edison Electric Light» (тепер General Electric). До 1879 року закінчилось доведення конструкції електричної лампочки, як альтернативи до гасової лампи та газового освітлення. У 1880 році Едісон патентує всю систему виробництва та розподілу електроенергії, котра базувалась на трипровідному підключенні (нуль і ±110 вольт), що знижувало матеріаломісткість при тих же втратах енергії. Одночасно було продемонстровано небачений на той час термін життя лампочки — 1200 годин. Якраз тоді Едісон сказав: «Ми зробимо електричне освітлення настільки дешевим, що лише багатії будуть палити свічки».

У січні 1882 року Едісон запускає першу електростанцію у Лондоні, а кількома місяцями пізніше — в Манхеттені. До 1887 року у США працювало більше сотні електростанцій постійного струму, що базувались на трипровідній системі Едісона.

Зображення до патенту Тесли на електричну динамомашину (Пат. США US390721)

На відміну від Едісона, що проявив себе невтомним експериментатором і вмілим бізнесменом, прихильники змінного струму спирались на математику та закони фізики. Ознайомившись з патентом Едісона, Дж. Вестінгауз виявив слабку ланку його системи — великі втрати потужності у провідниках при передачі електричної енергії на великі відстані.

У 1881 році Люсьєн Голар (Франція) і Джон Гіббс (Велика Британія) демонструють перший трансформатор, придатний для роботи на високих потужностях. У 1885 Вестінгауз купує декілька трансформаторів Голара-Гіббса[2] і генератор змінного струму виробництва Siemens&Halske і розпочинає експерименти. Через рік починає працювати перша 500-вольтова ГЕС змінного струму в Грейт-Баррингтоні (штат Массачусетс)[3].

Поширенню змінного струму заважала відсутність двигунів і лічильників. У 1882 році Тесла робить винахід багатофазного електродвигуна, патент на який він отримав у 1888 році. У 1884 році Тесла з'являється у США і влаштовується на роботу у компанії Едісона. Після року успішної роботи Едісон відмовляє Теслі у підвищенні зарплати[4], і Тесла переходить працювати до Вестінгауза. У 1889 році з'являється перший лічильник електроенергії змінного струму[5].

Перехід на змінний струм вів до фінансової поразки Едісона, який заробляв немалу частину коштів на патентних відрахуваннях[6]. Передчуваючи свою поразку, Едісон подав у суд за порушення більше десятка патентів, але рішення суду були не на його користь.

Тоді Едісон взявся за чорний піар, публічно демонструючи вбивства тварин змінним струмом. До того ж, приблизно у той же час такий собі Поуп був убитий електричним струмом в результаті пробою ізоляції трансформатора, що стояв у нього в підвалі; ця подія широко висвітлювалась пресою. Нарешті, у 1887 році фінансований Едісоном інженер Гарольд Браун запропонував ідею страчувати злочинців убиваючи їх струмом — зрозуміло, «небезпечним» змінним, а не «безпечним» постійним

Вестінгауз, різкий противник використання електрики для страти, відмовився постачати генератори змінного струму для цієї мети, найняв адвокатів засудженому до страти на електричному стільці Кеммлеру, який убив сокирою свою співмешканку. Адвокати вимагали скасувати вирок як такий, що суперечить Конституції США, яка забороняє «жорстокі і незвичайні покарання». Незважаючи на їхні старання, в 1890 році відбулася перша страта на електричному стільці. Едісон підкупив газетяра, і наступного дня в газеті з'явилася стаття «Вестінгауз стратив Кеммлера». Страта виглядала настільки жахливо, що Дж. Вестінгауз відповів на це однозначно: «Сокирою б у них вийшло краще».

Не дивлячись на очевидні переваги змінного струму, Едісон не збирався відмовлятися від свого дітища — постійного струму і від чорного піару по відношенню до змінного. Так, Едісон зняв і потім поширив у пресі кадри страти у 1903 році змінним струмом слонихи Топсі, що затоптала протягом останніх років трьох людей[7].

У 1891 році трифазна система змінного струму, розроблена М. О. Доліво-Добровольським у компанії AEG, була представлена на виставці у Франкфурті-на-Майні. Очевидно, що фурор, зроблений даною системою, допоміг компанії Вестінгауза у 1893 році виграти тендер на будівництво найбільшої на ту пору електростанції на Ніагарському водоспаді.

За словами Тесли, «потужності водоспаду вистачить на усі штати США». Щоб якось примирити Вестінгауза і Едісона, останньому дісталось будівництво лінії електропередачі від електростанції до Буффало — найближчого великого міста[8].

Зрештою General Electric купила компанію «Томсон-Х'юстон», що виробляла машини змінного струму, і сама почала їх виробництво. Проте, антиреклама змінного струму тривала.

Електропостачання постійним струмом неохоче здавало свої позиції. Хоча вже на початку XX століття більшість електростанцій виробляли змінний струм, існувало чимало споживачів постійного струму. Змінний струм для них перетворювався у постійний за допомогою ртутних випрямлячів. Електростанції постійного струму будувалися аж до 1920-х років. Місто Гельсінкі остаточно перейшло на змінний струм у 1940-х роках, Стокгольм у 1960-х. Проте, у США аж до кінця 1990-х років існувало 4,6 тисяч розрізнених споживачів постійного струму, і у 1998 почалися спроби перевести їх на змінний струм.

Із зникненням у Нью-Йорку останнього споживача постійного струму у листопаді 2007 року головний інженер компанії «Consolidated Edison», яка надавала електропостачання постійним струмом, перерізав символічний кабель, що поклало кінець «війні струмів» в окремо взятому місті.

А у Сан-Франциско і далі залишаються острівці мереж постійного струму, що живлять раритетні ліфти. У цілому в місті є 97 острівців постійного струму, що обслуговують від семи до десяти будівель кожен, при чому збережені і оригінальні кабелі, прокладені понад 100 років тому.