Передача електричної енергії, інструменти та засоби для переміщення електроенергії на великі відстані датуються кінцем 19 століття. Вони включають рух електроенергії навалом (передачу) та доставку електроенергії окремим споживачам (розподіл).
Ці два терміни на початку використовувались як взаємозамінні.
Перші передачі
Для передачі потужності на великі відстані використовувались різні системи. Основними серед них були телодинамічна (кабель в русі), гідравлічна (рідина під тиском) та пневматична (повітря під тиском) передача. Канатні дороги були найпоширенішим прикладом телодинамічної передачі. Міста XIX століття використовували гідравлічну трансмісію. За допомогою водопроводу високого тиску для подачі живлення на заводські двигуни. Лондонська система доставила 7000 к.с. (5 мегават ) за 290 км мережа труб. На початку ХХ століття пневматична трансмісія використовувалася для міських систем передачі електроенергії в Парижі, Ріксдорф, Бірмінгемі і Оффенбаху, Дрездені та Буенос-Айресі. Ці системи були замінені більш дешевими та універсальними електричними системами.
На самому початку передача електроенергії мала дві перешкоди.
По-перше, для пристроїв, що вимагають різної напруги, потрібні спеціалізовані генератори зі своїми окремими лініями. Наприклад, вуличні ліхтарі, електричні двигуни на заводах, ліхтарі в будинках та потужність для трамваїв- приклади різноманітності пристроїв з напругою, які вимагають окремих систем.
По-друге, генератори повинні бути відносно близькими до своїх навантажень. Було відомо, що передача на більшу відстань можлива коли вище напруга. Тому обидві проблеми можуть бути вирішені, якщо трансформація напруг від однієї універсальної лінії електропередач до іншої буде здійснена ефективно.
Спеціалізовані системи
Рання електрика, в основному, була постійним струмом, який було не легко збільшити або зменшити напругу ні для передачі на великі відстані, ні для спільної загальної лінії, що використовується для різних типів електричних пристроїв. Компаніям доводилось проводили різні лінії для різних класів навантажень, яких вимагали їх винаходи. Завдяки цій спеціалізації ліній тоді здавалося, що галузь переросте у розподілену систему генерації з великою кількістю малих генераторів, розташованих поблизу їх навантажень.
Перше високовольтне зовнішнє освітлення Фізики працювали над проблемою передачі енергії на відстань. Вони знали, що таку ж кількість потужності можна передати по кабелю подвоєнням напруги та зменшенням струму вдвічі. Із закону Джоуля вони також знали, що потужність, втрачена внаслідок нагрівання дроту, пропорційна квадрату струму в ньому, незалежно від напруги, а отже, подвоївши напругу, той самий кабель міг би передавати ту саму кількість потужності на відстань в чотири рази більше.
На Паризькій виставці 1878 р. електричне дугове освітлення було встановлено вздовж Авеню де Опера та Площі Опери за допомогою електричних дугових ламп Яблочкова. Вони живилися від динамо-систем змінного струму Зеноба Грамма. Свічки Яблочкова вимагали високої напруги, і незабаром експериментатори досягли живлення на 14 км ланцюга. Протягом десятиліття в багатьох містах з'являться системи освітлення, що використовують центральну електростанцію, яка забезпечує електроенергію багатьом споживачам через лінії електропередачі. Ці системи конкурували з домінуючими компаніями газового світла того періоду.
Інвестувати в центральний завод і мережу для доставки енергії стало звичною бізнес-моделлю. Вироблену електроенергію доставляли споживачам, які платили періодичну плату за послуги.
Каліфорнійська електрична компанія (нині PG&E) у Сан-Франциско в 1879 році використовувала два генератори постійного струму від компанії Чарльза Бреша, щоб забезпечити кількох споживачів енергією для своїх дугових ламп. Незабаром ЦВК відкрила другий завод з 4 додатковими генераторами. Плата за обслуговування світла 10 доларів за лампу на тиждень.
Компанія Grand Rapids Electric Light & Power, створена в березні 1880 р. Вільямом Т. Пауерсом та іншими, розпочала роботу першої у світі комерційної центральної гідроелектростанції на центральній станції. 24 липня 1880 р. отримала електроенергію від водяної турбіни компанія Стілець Росомаха та Меблева компанія. Він експлуатував 16-світловий електричний динамо Brush, освітлюючи кілька вітрин магазинів у Гранд-Рапідс, штат Мічиган. Це найперші споживачі енергії з Джексона, штат Мічиган.
У грудні 1880 року компанія Brush Electric створила центральну станцію для постачання на 3,2 км по Бродвею з дуговим освітленням. До кінця 1881 року в Нью-Йорку, Бостоні, Балтиморі, Філадельфії, Монреалі, Буффало, Клівленді Сан-Франциско та інших містах існували системи дугових ламп Brush. Вони виробляли загальне освітлення аж до 20 століття До 1893 року вулиці Нью-Йорка освітлювало 1500 дугових ламп..
Освітлення постійним струмом Перші дугові вогні були надзвичайно яскравими, але небезпечні, бо високі напруги представляли небезпеку іскроутворення / пожежі. У 1878 році винахідник Томас Едісон запропонував систему, яка могла б вводити електричне освітлення безпосередньо в бізнес або будинок замовника чи іншу нішу.Howard B. Rockman, Intellectual Property Law for Engineers and Scientists, John Wiley – 2004, page 131 Він розробив комерційно життєздатну лампочку розжарювання. В 1879 році, Едісон продовжив розробку першого масштабного електричного освітлення, що належить інвестору, в нижньому Манхеттені, обслуговуючи одну квадратну милю з 6 «динамічними динамо», розміщеними на станції Перл-Стріт.Ahmad Faruqui, Kelly Eakin, Pricing in Competitive Electricity Markets, Springer Science & Business Media – 2000, page 67 У вересні 1882 р., було 85 клієнтів з 400 лампочками. Кожне динамо виробляло по 100 кВт - достатньо для 1200 ламп розжарювання, а передача становила 110 В через підземні трубопроводи. Побудова системи коштувала 300 000 доларів з встановленням30000 м підземних трубопроводів , що було найдорожчою частиною проекту. Операційні витрати перевищили прибуток у перші два роки. Крім того, Едісон мав трипровідну систему, так що для живлення деяких двигунів можна було подавати або 110 В, або 220 В.
Широкомасштабні генерації Велика кількість енергії в різних місцях стала можливим після виробництва турбогенераторів Чарльзом Парсонсом на початку 1889 року. Вихід турбогенератора підскочив із 100 кВт до 25 мегават за два десятиліття. До турбогенераторів значним джерелом великої кількості енергії, що вимагає передавальної інфраструктури були гідроенергетичні проекти.
Трансформатори та змінний струм Джордж Вестінгхаус, коли зацікавився електрикою, дійшов висновку, що низькі напруги Едісона занадто неефективні, щоб їх можна було збільшити для передачі на відстань. Він також зрозумів, що недорога технологія перетворення існує лише для змінного струму. Трансформатори відіграватимуть вирішальну роль у перемозі змінного струму над постійним струмом для систем передачі та розподілу. У 1876 р. Павло Яблочков запатентував свій механізм використання індукційних котушок, що слугували підвищуючим трансформатором до Паризької виставки, демонструючи свої дугові лампи. У 1881 р. Джон Діксон Гіббс і Люсьєн Гаулард розробили більш ефективний пристрій, який назвали вторинним генератором Це був ранній понижуючий трансформатор, коефіцієнт якого можна регулювати. Тепер появилась можливість налаштування з'єднання між низкою дротових шпульок навколо шпинделя, з якого, для зміни вихідної потужності, сердечник може бути доданий або видалений. Пристрій зазнав різноманітних критичних зауважень, а іноді його неправильно розуміли як лише пропорцію повороту 1: 1. Thomas Parke Hughes, Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880–1930 , p.89, (1993)
Перша демонстрація пристрою була проведена на дистанції 34 км. Лінію змінного струму побудували для Міжнародної виставки 1884 року в Турині, Італія. Він живився від 2-кВ, 130 Гц, генератора Siemens & Halske, і мав кілька вторинних генераторів Гаулара з їх первинними обмотками, з'єднаними послідовно, які подавали лампи розжарювання. В результаті система довела доцільність передачі змінного струму на великі відстані. Після цього успіху між 1884 і 1885 рр. Угорські інженери Отто Блаті, Каролі Зіперновський та Мікса Дері з компанії Ganz у Будапешті створили ефективні котушки із замкнутим сердечником "ZBD", а також сучасну електричну розподільчу систему.. У їх спільному патенті описані дві версії конструкції без полюсів: "трансформатор із сердечником" і "трансформатор із закритим сердечником ".Patent No. US352105 , U.S. Patent Office, 1886-11-02, retrieved 2009-07-08 Отто Блаті запропонував використовувати замкнуті ядра, Каролі Зіперновський - використовувати шунтові з'єднання, а Мікса Дері проводив експерименти.Smil, Vaclav, Creating the Twentieth Century: Technical Innovations of 1867—1914 and Their Lasting Impact, Oxford University Press, 2005, p. 71.
У трансформаторі із закритим сердечником залізний сердечник представляє собою замкнуте кільце, навколо якого намотані дві котушки. У трансформаторному корпусі обмотки проходять через сердечник. Магнітний потік, що пов'язує первинну та вторинну обмотки, майже повністю рухається всередині залізного сердечника. Ядро складається із залізних ниток або листів. Ці революційні елементи трансформатора нарешті зробили технічно та економічно доцільним забезпечення електроенергією для освітлення будинків, підприємств та громадських приміщень.Bláthy, Ottó Titusz , Hungarian Patent Office. Зіперновський, Блаті та Дері також виявили формулу трансформатора Vs / Vp = Ns / Np. Електричні та електронні системи у всьому світі покладаються на принципи оригінальних трансформаторів Ганца. Ці винахідники також ввели назву "трансформатор" для опису пристрою для зміни ЕРС електричного струму.Nagy, Árpád Zoltán, "Lecture to Mark the 100th Anniversary of the Discovery of the Electron in 1897" (preliminary text) , Budapest 1996-10-11, retrieved 2009-07-09.
Перша діюча лінія змінного струму була введена в експлуатацію в 1885 р.на вулиці Дей Черчі, Рим, Італія, для громадського освітлення. Його живили два генератори Siemens & Halske номінальною потужністю 30 к.с. (22 кВт), 2 кВ при 120 Гц і використовували 200 послідовно підключених понижувальних трансформаторів Гаулара 2 кВ / 20 В, забезпечених замкнутим магнітопроводом, по одному на кожну лампу. Через кілька місяців ввели в експлуатацію першау британську систему змінного струму в Лондонській галереї Гросвенор. У ньому також були представлені генератори змінного струму Siemens та понижувальні трансформатори 2,4 кВ / 100 В.
Використанням недорогих трансформаторів підвищеного та знижувального рівня, була вперше реалізована Вестінгаузом, Вільямом Стенлі-молодшим та Франкліном Леонардом Попом у 1886 році у Грейт-Барінгтоні, штат Массачусетс.Thomas Parke Hughes, Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880–1930 , p.103, (1993) У 1888 році Westinghouse також ліцензував асинхронний двигун Ніколи Тесли, який з часом перетворився на корисний (2-фазний) двигун змінного струму. Сучасна 3-фазна система була розроблена Михайлом Доліво-Добровольським та Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft та Чарльзом Ежену Ланселотом Брауном у Європі, починаючи з 1889 р.
Міжнародна електротехнічна виставка 1891 р. у Франкфурті, Німеччина, представила передачу великої потужності трифазного електричного струму на великі відстані. Потужний трифазний електричний струму генерувався за 175 км від міста Лауффен-ам-Неккар. Він успішно експлуатував мотори та ліхтарі на ярмарку. Після закриття виставки, електростанція в Лауффені продовжувала працювати, забезпечуючи електроенергією адміністративну столицю Хайльбронн. Технічні радники та представники були вражені. В результаті успішного випробування на місцях трифазний струм став найбільш економічним засобом передачі електричної енергії в Німеччині.