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历史上的交直流电之争

关于电能的输送方式,是采用直流输电还是交流输电,在历史上曾引起过很大的争论。美国发明家爱迪生、英国物理学家开尔文都极力主张采用直流输电,而美国发明家乔治·威斯汀豪斯和英国物理学家费朗蒂则主张采用交流输电。


1887年,极富事业心的匹百万彩票兹堡市(Pittsburgh)实业家乔治·威斯汀豪斯意识到了交流电应用的价值,聘请尼古拉·特斯拉开发交流电系统,并购买了特斯拉的7项专利,包括发电机、变压器、输电线、多相电机和照明设备的一套综合交流系统。同时他的西屋电气公司也配置好设备,准备制造、销售先进的交流电成套系统。


1888年,爱迪生团队将其注意力集中到了交流电的不安全性上面,并不断地对交流电系统发起进攻,宣扬直流电具有明显的“绝对安全性”。哈罗德P·布朗(Harold P. Brown)是一位自学成才拥有“教授”职称的工程师,平时以所谓公共安全倡导者的身份出现。他受到了直流电支持者的某些帮助和鼓励,反对交流电。布朗曾在弗吉尼亚州(Virginia)和俄亥俄州(Ohio)当着公众将动物电死,以证明交流电的影响。他还曾力劝纽约电气控制委员会禁用300V以上的交流电。在坚持低压直流电绝对安全这一观点的同时,他还对300V以上的交流电进行了谴责,把它说成是“该死的东西”。爱迪生本人完全赞同禁用交流电,或至少将电压限制在300V以下。


大约在同一时间,布朗推动了纽约州用交流电作为电刑以代替绞刑处死罪犯的方法。虽然当时有人认为电刑是无痛的、瞬间的,因为电的传播速度等于光速,但是当时人们并不知道致人死亡所需的电压或电流究竟有多高。第一批电椅安装在纽约州北部地区的奥本州立监狱(AuburnState Prison)。这把电椅采用的是西屋公司的二手发电机,是布朗通过爱迪生公司的财政支持暗中收购来的。威斯汀豪斯的西屋公司不会自觉自愿或明明白白地为纽约的电椅提供发电机。1890年8月6日,第一例电刑在杀人凶手威廉·克姆勒(WilliamKemmler)身上执行,他因持斧头杀人被判死刑。据报道,由于电压调节效果不好,这次电刑的执行非常可怕。克姆勒先遭受了1300V的交流电,持续了17秒。当发现他仍然活着时,又向其施加了大约2000V的交流电,直至其身体开始燃烧。第二次通电被证明是致死因素。“威斯汀豪斯刑(Westinghousing)”一词曾经是电刑的代名词,但该术语未长久保留。


就在爱迪生攻击交流电的那几年时间里,威斯汀豪斯的工程团队花了大量时间,对交流电系统进行完善,1888年,西屋公司的一位主管工程师奥利弗B·沙伦伯格(Oliver B. Shallenberger)开发了一种交流电磁盘计。该磁盘计是一种直接读数式计量计,优于爱迪生在直流系统中所采用的电解库仑计,赢得了交流保卫战的一场胜利。另外,1892年全面开发出了两相、三相交流输配电系统。


逐渐,关于交流电不安全的说法已渐渐平息。乔治·威斯汀豪斯后来回忆说:“爱迪生认为直流电就像平静地流向大海的一条河流,而交流电就像急速流过悬崖峭壁的湍流。”


工业上首次利用交流输电是在1891年。威斯汀豪斯的西屋公司安装了一条3kV的单相输电线路,长度大约为3英里,起于一台水轮发电机,止于科罗拉多州特柳赖德的金王磨矿机,海拔高度超过9000英尺。碎矿机由一台100马力的同步电机提供动力。特柳赖德之所以有机会使用电力,是因为当地缺少薪柴,而且向这个偏远地区运输煤炭来制造蒸汽动力的成本又较高。如今,这条输电线路已成为美国电气与电子工程师协会(IEEE)的一个里程碑。该项目是电气工程史上的重大成就,具有明显的象征意义和纪念意义。同年,一条长100英里,起于劳芬(Lauffen),止于法兰克福(Frankfurt)的交流电线在德国安装。这条交流线路为三相电线,电压为30kV,由Oerlikon公司负责安装。1892年,在偏远的水力发电站和加利福尼亚州萨克拉门托(Sacramento,California)之间架设了一条40kV的交流输电线路,长达70英里。


爱迪生的公司——爱迪生通用电气公司,虽然持有价值不菲的电灯专利,但却没有参与或进入到交流设备市场之中。汤姆森休斯顿公司(Thomson-HoustonCompany)则是长期参与交流技术的开发和交流设备的制造。随着商业意识的不断普及,这两家公司于1892年合并为通用电气公司(General ElectricCompany)。据报道,由于新公司的名称中没有爱迪生的名字,他对此感到不满。合并后的通用电气公司积极主动地参与到了交流电制造与安装业务之中。爱迪生被提名为合并公司的董事,但他没有积极参与,不久后便辞职了。


爱迪生开创了20世纪全球现代化之门的电气行业,但此后,没有继续对这一领域产生更多的影响,而是把他广泛的发明天赋转向了其他领域,最突出的就是动画和蓄电池技术的发明、开发和商业化以及留声机的进一步完善。值得注意的是,虽然爱迪生为研制高电阻灯丝以降低线路损耗付出了长期而又艰苦的努力,但他却强烈反对高压交流电的出现,而高压交流电恰恰是降低线路损耗的有效手段。


随着“电流之战”在19世纪90年代早期逐渐平息,威斯汀豪斯继续研究特斯拉的多相系统。一项重要的进展是,通过在一根轴上联结两台单相交流发电机同时将磁场绕组设置为90度的方式,产生了感应电机旋转磁场。这套系统在1893年的芝加哥世界博览会上投入了使用,这次博览会也称为哥伦布博览会,以庆祝克里斯多弗·哥伦布(ChristopherColumbus)首次到达新大陆的航行400周年。


当博览会负责人要求对露天博览会场所的照明设备投标时,西屋公司和新成立的通用电气公司都参与了投标。西屋公司的投标价格比通用公司的报价低一半以上。据报道,通用公司的大部分预算造价都与公司规划的直流系统所需铜线数量有关。1893年5月1日,当博览会开幕时,格罗弗·克利夫兰(GroverCleveland)总统点亮了10万多个白炽灯泡,这些白炽灯泡采用了1880年索耶曼(Sawyer-Man)专利(西屋公司已收购其专利权),由设置在机械馆中的12台两相750kW、60Hz交流发电机供电。此外,电力馆还展示并示范了一套完整的特斯拉发电、输电、400~1200V升降压变压器多相系统,供博览会2700万参观者参观。总之,威斯汀豪斯的西屋公司安装的8000只弧光灯加上大约13万个白炽灯将新古典主义的世界博览会建筑大楼和露天博览会场所变成了一座“灯光之城”,并证明了交流系统既实用又可用。自那以后,交流电迅速战胜了爱迪生等人支持的直流电力系统技术,使其失去了往日的光芒。


最终,尼亚加拉瀑布项目(Niagara FallsProject)的开发进一步证实了交流电系统的优势。尼亚加拉瀑布所在地的尼亚加拉河蕴藏着巨大的能量,人们一直在寻求利用这种能量的方法。1890年,国际尼亚加拉委员会成立,威廉·汤姆森(WilliamThomson,后来的开尔文勋爵)爵士担任委员会主席。该委员会奉命调查和评估有效利用尼亚加拉河巨大能量的方法。同时还开展了一项奖金为22000美元的有奖征集方案活动,共收到了17种方案,最后,于1893年选定了一套多相交流发电输电系统,西屋公司提供了前三台5000马力的两相25Hz、2250V交流发电机。当时他们还未建造过如此大的交流发电机,所以设计必须从零开始。18个月后,第一台交流发电机制造完工,并于1895年4月实施了安装,同年8月首次向PittsburghReduction公司(现为美国铝业公司)供电,用于尼亚加拉瀑布地区的铝生产,工厂所在地就在尼亚加拉瀑布发电站附近。到1895年11月,首批交流发电机中的全部三台发电机全部完工。1896年11月16日,一条通向纽约州布法罗(Buffalo)的20英里长、11kV的交流输电线路通电。随后几年,尼亚加拉项目得到大规模发展,1905年已有两座发电站,共有21台发电机同时运行。


在尼亚加拉瀑布水力开发利用过程中,交流电在长距离输电中的应用起到了关键作用。该项目当时是美国最大型、最宏伟的交流电应用工程,现已被指定为美国电气与电子工程师协会的一个里程碑事件。尼亚加拉项目整合并应用了当时大西洋两岸电气科学技术方面取得的最新成果,为之后的全球电气化奠定了基础。


乔治·威斯汀豪斯(1846~1914)是美国著名的企业家和工程师。1886年,他创办了西屋电器公司并购买了尼古拉.特斯拉的交流电动机专利,在美国推广交流电机和交流输电。在推广交流电应用时与爱迪生进行了坚决的斗争,最终赢得了最后的胜利。1955年,威斯汀豪斯被选入美国伟人纪念馆。


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