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A história da trasmissão de eletricidade longe dos centros de produção data do final do século XIX. Isto inclui a transmissão de electricidade e a sua de distribuição aos clientes individuais. A distinção entre os termos "transmissão" e "distribuição" não existia nos primeiros anos e era utilizada indistintamente.

Transmissão precoce

Antes da eletricidade, vários sistemas foram utilizados para a transmissão de energia em grandes distâncias. O principal deles foi a transmissão telodinâmica (cabo em movimento), pneumática (ar pressurizado) e hidráulica (fluido pressurizado). Os teleféricos eram o exemplo mais freqüente de transmissão telodinâmica, cujas linhas podiam se estender por várias milhas para uma única seção. A transmissão pneumática foi utilizada para sistemas de transmissão de energia em Paris, Birmingham, Rixdorf, Offenbach, Dresden e Buenos Aires no início do século XX. As cidades no século XIX também usaram a transmissão hidráulica usando canos de água de alta pressão para fornecer energia aos motores de fábricas. O sistema de Londres entregou 7000 hp (5 megawatts) sobre uma rede de 180 quilômetros (180 milhas) de tubos que transportavam água a 800 psi. Estes sistemas foram substituídos por sistemas elétricos mais baratos e mais versáteis, mas até o final do século XIX, planejadores urbanos e financiadores bem conscientes dos benefícios, economia e processo de estabelecer sistemas de transmissão de energia.

Nos primeiros dias de uso de energia elétrica, a transmissão generalizada desta energia tinha dois obstáculos. Em primeiro lugar, os dispositivos que necessitavam tensões diferentes necessitavam de geradores especializados com suas próprias linhas separadas. As luzes de rua, os motores elétricos em fábricas, o poder para bondes e as luzes em residências são exemplos da diversidade de dispositivos com voltagens que requerem sistemas separados. Em segundo lugar, os geradores tiveram que estar relativamente perto de suas cargas (uma milha ou menos para dispositivos de baixa tensão). Sabia-se que a transmissão de longa distância era possível quanto maior a tensão era aumentada, de modo que ambos os problemas poderiam ser resolvidos se as tensões de transformação pudessem ser executadas de forma barata a partir de uma única linha de alimentação universal.

Sistemas especializados

Grande parte da eletricidade inicial era em corrente contínua, que não poderia facilmente ser aumentada ou diminuída na tensão quer para a transmissão de longa distância ou para a partilha de uma linha comum a ser utilizado com vários tipos de dispositivos elétricos. Por exemplo, os sistemas de lâmpadas de arco da Nova Yorque de Charles Brush exigiam até 10 kV para muitas lâmpadas em um circuito em série, as lâmpadas incandescentes da Edison usadas em 110 V, os bondes construídos pela Siemens ou Sprague requeria motores grandes na faixa de 500 volts,[2] enquanto que os motores industriais em fábricas usavam ainda outras tensões.[3] Devido a essa especialização de linhas, e porque a transmissão era tão ineficiente, parecia na época que a indústria se tornaria o que é hoje conhecido como um sistema de geração distribuída com grande número de pequenos geradores localizados perto de suas cargas.

Early alta tensão exterior iluminação

A alta tensão foi de interesse para os primeiros pesquisadores trabalhando no problema da transmissão sobre a distância. Eles sabiam pelo princípio de eletricidade elementar que a mesma quantidade de energia poderia ser transferida para um cabo duplicando a tensão e reduzindo para metade a corrente. Devido à lei de Joule, eles também sabiam que a capacidade de um fio é proporcional ao quadrado da corrente que viaja sobre ele, independentemente da tensão, e assim, duplicando a tensão, o mesmo cabo seria capaz de transmitir a mesma quantidade de energia quatro vezes a distância.

Na Exposição de Paris de 1878, a iluminação de arco elétrico havia sido instalada ao longo da Avenida de l'Opera e da Place de l'Opera, usando lâmpadas elétricas de arco Yablochkov, alimentadas por dínamos de corrente alternada Zénobe Gramme [5] [6] [7]. As lâmpadas Yablochkov exigiam alta voltagem, e não demorou muito para que os experimentadores informassem que as lâmpadas de arco poderiam ser alimentadas em um circuito de 7 milhas (11 km). [8] Dentro de uma década, dezenas de cidades teriam sistemas de iluminação usando uma central de energia que fornecesse eletricidade para vários clientes por meio de linhas de transmissão elétrica. Esses sistemas estavam em concorrência direta com as concessionárias de gás do período[9].

A central de energia elétrica da Brush Electric Company usou as lâmpadas de arco para iluminação pública em Nova York. Iniciando a operação em dezembro de 1880 na 133 West Twenty-Fifth Street, alimentou um circuito de 2 milhas (3,2 km). [10] A idéia de investir em uma planta central e em uma rede para fornecer energia produzida a clientes que pagam uma taxa recorrente pelo serviço era um modelo de negócios familiar para os investidores: era idêntico ao lucrativo negócio de gás, ou sistemas de transmissão hidráulica e pneumática. A única diferença era de que a mercadoria que estava sendo entregue era a eletricidade, não o gás, e os "tubos" usados ​​para entregar eram mais flexíveis.

A California Electric Company (atual PG & E), em São Francisco, em 1879, usou dois geradores de corrente contínua da empresa de Charles Brush para fornecer a vários clientes energia para suas lâmpadas de arco. Este sistema de São Francisco foi o primeiro caso de uma concessionária que vende eletricidade de uma central para múltiplos clientes por meio de linhas de transmissão.[11] A CEC logo abriu uma segunda fábrica com 4 geradores adicionais. As taxas de serviço para a luz do pôr-do-sol à meia-noite eram $ 10 por lâmpada por uma semana.[9] [12]

Em dezembro de 1880, a Brush Electric Company montou uma estação central para fornecer um comprimento de 3 km (2 milhas) da Broadway com iluminação de arco. No final de 1881, Nova York, Boston, Filadélfia, Baltimore, Montreal, Buffalo, São Francisco, Cleveland e outras cidades tinham sistemas de lâmpadas de arco Brush, produzindo luz pública até o século XX.[13] Em 1893 havia 1500 lâmpadas de arco iluminando ruas de Nova York.[14]

Iluminação de corrente contínua

As lâmpadas de arco extremamente brilhantes eram, de fato, muito brilhantes, e com as altas tensões e incêndio, muito perigoso para uso em ambientes fechados. Em 1878 o inventor Thomas Edison viu um mercado para um sistema que poderia trazer a iluminação elétrica diretamente no negócio ou no repouso de um cliente, um niche não servido por sistemas de iluminação do arco. Depois de conceber uma lâmpada incandescente comercialmente viável 1879, Edison passou a desenvolver a primeira grande escala investidor de propriedade iluminação elétrica "utilidade" na baixa de Manhattan, eventualmente, servindo uma milha quadrada com 6 "dínamos jumbo" alojados em Pearl Street Station.[9] [17] [18] Quando o serviço começou em setembro de 1882, havia 85 clientes com 400 lâmpadas. Cada dínamo produzia 100 kW - o suficiente para 1200 lâmpadas incandescentes, e a transmissão era de 110 V através de condutas subterrâneas. O sistema custou US$ 300.000 para construir com a instalação dos 30.000 m de condutas subterrâneas, uma das partes mais caras do projeto. As despesas de funcionamento excederam a renda nos primeiros dois anos e o fogo destruiu a planta em 1890. [19] Além disso, Edison tinha um sistema de três fios para que 110 V ou 220 V pudessem ser fornecidos para alimentar alguns motores.

Disponibilidade de geração em larga escala

A disponibilidade de grandes quantidades de energia de diversos locais seria possível depois que a produção de turbogeradores de Charles Parsons começou em 1889. A produção de turbogeradores saltou rapidamente de 100 kW para 25 megawatts em duas décadas. Antes de turbogeradores eficientes, os projetos hidrelétricos eram uma fonte significativa de grandes quantidades de energia que requerem infra-estrutura de transmissão.

Vantagens da bobina de indução de corrente alternada

Quando George Westinghouse se interessou pela eletricidade, concluiu rapidamente e corretamente que as baixas tensões de Edison eram muito ineficientes para serem ampliadas para a transmissão necessária para grandes sistemas. Ele entendeu ainda que a transmissão de longa distância precisava de alta tensão e que a tecnologia de conversão barata só existia para corrente alternada. Os transformadores desempenhariam o papel decisivo na vitória da corrente alternada sobre a corrente contínua para os sistemas de transmissão e distribuição [21]. Em 1876, Pavel Yablochkov patenteou seu mecanismo de usar bobinas de indução para servir como um transformador de passo antes da Exposição de Paris demonstrando suas lâmpadas de arco. Em 1881, Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs desenvolveram um dispositivo mais eficiente que chamaram o gerador secundário, a saber um transformador adiantado fornecido com relação da volta 1:1 e circuito magnético aberto.[7] [22]

O nascimento do primeiro transformador

A primeira linha de longa distância demonstrativa (34 km, ou seja, 21 mi) foi construída para a Exposição Internacional de 1884 em Turim, Itália. Foi alimentado por um alternador de 2kV, 130 Hz Siemens & Halske e caracterizou vários geradores secundários de Gaulard com seus enrolamentos primários conectados na série, que alimentou lâmpadas incandescentes. O sistema comprovou a viabilidade da transmissão de energia elétrica de corrente alternada em longas distâncias. [7] Depois deste sucesso, entre 1884 e 1885, os engenheiros húngaros Zipernowsky, Bláthy e Déri da empresa Ganz em Budapeste criaram o eficiente "Z.B.D." Bobinas de núcleo fechado, bem como o moderno sistema de distribuição elétrica. Os três descobriram que todos os antigos dispositivos sem núcleo ou de núcleo aberto eram incapazes de regular a tensão e, portanto, impraticáveis. Sua patente conjunta descreveu duas versões de um projeto sem pólos: o "transformador de núcleo fechado" e o "transformador de núcleo de shell". [23] [24] Ottó Bláthy sugeriu o uso de núcleos fechados, Károly Zipernowsky o uso de conexões shunt, e Miksa Déri realizou as experiências. [7] [25]

No transformador de núcleo fechado o núcleo de ferro é um anel fechado em torno do qual as duas bobinas são enroladas. No transformador do tipo de invólucro, os enrolamentos são passados ​​através do núcleo. Em ambos os projetos, o fluxo magnético que liga os enrolamentos primário e secundário viaja quase inteiramente dentro do núcleo de ferro, sem nenhum caminho intencional através do ar. O núcleo consiste em fios de ferro ou folhas. Estes elementos revolucionários do projeto fariam finalmente técnica e economicamente possível fornecer a energia elétrica para a iluminação nos repousos, nos negócios e nos espaços públicos. Zipernowsky, Bláthy e Déri também descobriram a fórmula do transformador, Vs / Vp = Ns / Np. Sistemas elétricos e eletrônicos em todo o mundo dependem dos princípios dos transformadores Ganz originais. Os inventores também são creditados com a primeira utilização da palavra "transformador" para descrever um dispositivo para alterar a EMF de uma corrente eléctrica. [26] [27]

Uma primeira linha operacional de corrente alternada foi colocada em serviço em 1885 na via dei Cerchi, Roma, Itália, para iluminação pública. Ele foi alimentado por dois alternadores Siemens e Halske com potência nominal de 30 cv (22 kW), 2 kV a 120 Hz e usou 200 transformadores de 2-kV / 20-V de Gaulard conectados em série, fornecidos com um circuito magnético fechado, um para cada lâmpada. Poucos meses depois, foi seguido pelo primeiro sistema britânico de corrente alternada, que foi colocado em serviço na Galeria Grosvenor, em Londres. Ele também apresentava alternadores Siemens e transformadores de 2,4 kV / 100 V, um por usuário, com primários conectados por derivação. [28]

O conceito que é a base da transmissão moderna usando o baixo custo e os transformadores de passo para baixo foi primeiramente implementado por Westinghouse, William Stanley, Jr. e Franklin Leonard Pope em 1886 em Great Barrington, Massachusetts, recorrendo também à tecnologia européia. 30] Em 1888 a Westinghouse também licenciou a patente de motor de indução de Nikola Tesla dando corrente alternada um motor muito necessário usado. Este sistema foi desenvolvido no moderno sistema trifásico por Mikhail Dolivo-Dobrovolsky e Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft e Charles Eugene Lancelot Brown na Europa, começando em 1889. [3] [28] A simplicidade dos geradores e motores polifásicos significava que além de sua eficiência eles poderiam ser fabricados de forma barata, compacta e exigiria pouca atenção para manter. Economia simples conduziria os dínamos de DC caro, balky e mecanicamente complexos a sua extinção final. Como se verificou, o factor decisivo na Guerra de Correntes foi a disponibilidade de baixo custo passo para cima e passo para baixo transformadores que significava que todos os clientes, independentemente de suas necessidades de voltagem especializada poderia ser servido a um custo mínimo de conversão. Este "sistema universal" é hoje considerado como uma das inovações mais influentes para o uso da eletricidade. [3]

Transmissão de corrente contínua de alta tensão

O caso da corrente alternada não estava claro na virada do século e os sistemas de transmissão de corrente contínua de alta tensão foram instalados com sucesso sem o benefício de transformadores. Rene Thury, que passara seis meses na unidade Menlo Park de Edison, compreendeu seu problema com a transmissão e estava convencido de que a movimentação de eletricidade em grandes distâncias era possível usando corrente contínua. Ele estava familiarizado com o trabalho de Marcel Deprez, que fez o trabalho inicial em transmissão de alta tensão, depois de ter sido inspirado pela capacidade de geradores de lâmpada de arco para apoiar luzes sobre grandes distâncias. [31] [32] Deprez evitou transformadores colocando geradores e cargas em série [31] como os sistemas de lâmpadas de arco de Charles F. Brush fizeram. Thury desenvolveu esta idéia no primeiro sistema comercial para a transmissão CC de alta tensão. Como dínamos de Brush, a corrente é mantida constante, e quando a carga crescente exige mais pressão, a tensão é aumentada. O Sistema Thury foi utilizado com sucesso em vários projetos de transmissão DC de geradores Hidrelétricos. O primeiro em 1885 era um sistema da baixa tensão em Bözingen, [33] eo primeiro sistema de alta tensão entrou no serviço em 1889 em Genoa, Italy pela companhia de Acquedotto de Ferrari-Galliera. Este sistema transmitiu 630 kW a 14 kV DC sobre um circuito de 120 km de comprimento. [34] [35] O maior sistema de Thury foi o projeto de Lyon Moutiers que foi 230 km de comprimento, eventualmente entregar 20 megawatts, em 125 kV. [31] [32] [36]

Vitória para AC

Em última análise, a versatilidade do sistema Thury foi prejudicada pela fragilidade da distribuição em série e pela falta de uma tecnologia confiável de conversão de DC que não aparecia até a década de 1940 com melhorias nas válvulas de arco de mercúrio. O "sistema universal" AC ganhou por força de números, proliferando sistemas com transformadores tanto para acoplar geradores a linhas de transmissão de alta tensão, e para conectar a transmissão aos circuitos de distribuição locais. Através de uma escolha adequada de frequência de utilidade, tanto a iluminação como as cargas de motor poderiam ser servidas. Os conversores rotativos e as válvulas de arco de mercúrio e outros equipamentos retificadores permitiram que a carga DC fosse servida por conversão local quando necessário. Mesmo as centrais geradoras e as cargas que utilizam diferentes frequências podem também ser interligadas através de conversores rotativos. Com a utilização de usinas comuns para cada tipo de carga, foram obtidas importantes economias de escala, foi necessário um menor investimento de capital global, o fator de carga em cada planta foi aumentado permitindo maior eficiência, permitindo um menor custo de energia para o consumidor e aumentando globalmente Uso de energia elétrica.

Ao permitir que várias centrais de produção fossem interconectadas em uma ampla área, o custo de produção de eletricidade foi reduzido. As plantas mais eficientes disponíveis poderiam ser usadas para suprir as cargas variadas durante o dia. A confiabilidade foi melhorada e os custos de investimento de capital foram reduzidos, uma vez que a capacidade de geração de stand-by poderia ser compartilhada entre muitos mais clientes e uma área geográfica mais ampla. As fontes de energia remotas e de baixo custo, como a energia hidroeléctrica ou o carvão mineral, poderiam ser exploradas para reduzir os custos de produção de energia [37].

A linha de 175 km construída por Oskar von Miller em 1891 na Alemanha A primeira transmissão de corrente alternada trifásica usando alta tensão ocorreu em 1891 durante a exposição internacional de eletricidade em Frankfurt. Uma linha de transmissão de 15 kV conectou Lauffen no Neckar e em Frankfurt am Main, em uma distância de 175 quilômetros. [28] [38]

Inicialmente as linhas de transmissão eram suportadas por isoladores de porcelana tipo pino e manga semelhantes aos usados ​​para telégrafos e linhas telefônicas. Contudo, estes tinham um limite prático de 40 kV. Em 1907, a invenção do isolador de disco por Harold W. Buck da Niagara Falls Power Corporation e Edward M. Hewlett da General Electric permitiu isoladores práticos de qualquer comprimento a ser construído para tensões mais elevadas.

Os primeiros geradores hidrelétricos de grande escala nos EUA foram instalados em 1895 em Niagara Falls e forneceram eletricidade para Buffalo, Nova York, por meio de linhas de transmissão de energia. Uma estátua de Nikola Tesla está em Niagara Falls hoje em homenagem a suas contribuições.

Período moderno

As tensões utilizadas para a transmissão de energia elétrica aumentaram ao longo do século 20. [39] A primeira estação de energia elétrica "de alta tensão", avaliado 4-MW 10-kV 85-Hz, foi põr no serviço em 1889 por Sebastian Ziani de Ferranti em Deptford, Londres. A primeira linha de transmissão de energia elétrica na América do Norte operou em 4000 V. Foi on-line em 3 de junho de 1889, com as linhas entre a estação de geração em Willamette Falls em Oregon City, Oregon e Chapman Square no centro de Portland, Oregon, Milhas. [40] Em 1914, cinquenta e cinco sistemas de transmissão que funcionavam com mais de 70.000 V estavam em serviço, ea tensão mais alta então utilizada era de 150 kV. [41] A primeira transmissão trifásica de corrente alternada a 110 kV ocorreu em 1907 entre Croton e Grand Rapids, Michigan. Tensões de 100 kV e mais não foram tecnologia estabelecida até cerca de 5 anos mais tarde, com, por exemplo, a primeira linha de 110 kV na Europa entre Lauchhammer e Riesa, Alemanha em 1912.

No início dos anos 20, a linha Pit River - Cottonwood - Vaca-Dixon foi construída para 220 kV transportando energia de usinas hidrelétricas na Serra Nevada para a Baía de São Francisco, ao mesmo tempo em que as linhas Big Creek - Los Angeles foram Mesma tensão. Ambos os sistemas entraram em serviço comercial em 1923. Em 17 de abril de 1929 a primeira linha de 220 kV na Alemanha foi concluída, correndo de Brauweiler perto de Colônia, sobre Kelsterbach perto de Frankfurt, Rheinau perto de Mannheim, Ludwigsburg-Hoheneck perto da Áustria. Esta linha compreende a interconexão Norte-Sul, na época um dos maiores sistemas de energia do mundo. Os mastros desta linha foram concebidos para eventual actualização para 380 kV. No entanto, a primeira transmissão a 380 kV na Alemanha foi em 5 de outubro de 1957 entre as subestações em Rommerskirchen e Ludwigsburg-Hoheneck.

A primeira linha eléctrica de 380 kV foi construída na Suécia, a linha Harsprånget-Hallsberg de 952 km em 1952. Em 1965, a primeira transmissão de alta tensão em 735 kV ocorreu numa linha de transmissão Hydro-Québec [42]. Em 1982 a primeira transmissão em 1200 kV estava na União Soviética.

A rápida industrialização no século 20 fez linhas de transmissão elétrica e grades uma parte crítica da infra-estrutura econômica na maioria das nações industrializadas. A interconexão de centrais de geração locais e pequenas redes de distribuição foi fortemente estimulada pelas exigências da Primeira Guerra Mundial, onde grandes usinas de geração elétrica foram construídas pelos governos para fornecer energia a fábricas de munições; Mais tarde essas usinas foram conectadas para fornecer carga civil através de transmissão de longa distância. [43]

Pequenas empresas de eletricidade municipal não necessariamente desejavam reduzir o custo de cada unidade de eletricidade vendida; Em certa medida, especialmente durante o período de 1880-1890, a iluminação elétrica foi considerada um produto de luxo ea energia elétrica não foi substituída pela energia a vapor. Engenheiros como Samuel Insull nos Estados Unidos e Sebastian Z. De Ferranti no Reino Unido foram instrumentais na superação de dificuldades técnicas, econômicas, regulatórias e políticas no desenvolvimento da transmissão de energia elétrica de longa distância. Com a introdução de redes de transmissão de energia elétrica, na cidade de Londres o custo de um quilowatt-hora foi reduzido para um terço em um período de dez anos. [44]

Em 1926 as redes elétricas no Reino Unido começaram a ser interconectadas no National Grid, operando inicialmente em 132 kV.

Referências

https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_electric_power_transmission#Early_transmission