General Lectures on Electrical Engineering(2) 本題へ

ニコラ・テスラの電磁気, 永久機関

スタインメッツ全集2つめのGeneral Lectures on Electrical Engineeringを読んできます。交流と直流の比較が続きます。

vol2 General Lectures on Electrical Engineering

とりあえず、読んでいきます。

翻訳メモ : 

busbar : バスバー(電動体として機能する金属製の棒)
neutral : 中心線
mains : 主電源
feeder : 給電線
distribution : 配電
station : 発電所または変電所
generating station : 発電所
substation : 変電所
boostar : ブースター(昇圧機)
tie feeder : タイフィーダー(直訳 : 束縛する給電線)


SECOND LECTURE
GENERAL DISTRIBUTION
DIRECT-CURRENT DISTRIBUTION

直流配電

典型的な直流配電は、Edisonが考案した給電線と主電源のシステムであり、それ以来、すべての直流配電で使用されています。 図2に図式的に示されています。

直流システムは大都市でのみ使用されるため、導体は通常地下にあります。 「本線」と呼ばれる3線式の導線のシステムが、街の路上に敷設されており、太線で図式的に示されています。

一般に、1,000,000サーキュラーミルの導体の部分(つまり、中身の丸い導体の直径が1インチになる銅の部分)は、外側の導体「正」と「負」の導体に使用されます。 そして、このサイズの半分の導体は、中間または「中性」導体に使用されます。 後者は通常、火災のリスクなどから保護するために接地されています。通常、1,000,000サーキュラーミル以上の導線は使用されませんが、負荷がそのような導線の容量を超える場合、2個目の本線が同じ通りに配置されます。

直径1ミル(1000分の1インチ)の円の面積が1サーキュラーミルであり、1,000,000サーキュラーミルは、直径1インチの円の面積と同じです。直径1インチは1ミルの1,000倍で、面積は1,000*1,000倍の1,000,000倍なので、そんな単位はないですが1サーキュラーインチがあるとしたら、1,000,000サーキュラーミルに等しいです。導線の太さの単位で今でも使うことがあります。

図2に点線で示されている多くの給電線(フィーダー)が、発電所または変電所から放射状に伸びており、多数の地点で主電源に接続されています。 隠れたワイヤが主電源から発電所または変電所に戻るため、発電所または変電所で配電システムのさまざまなポイントの電圧を測定できます。すべての顧客は主電源に接続されていますが、給電線には接続されていません。 主電源と給電線は、主電源で感知できるほどの電圧降下が発生しないように配置されていますが、すべての電圧降下は給電線で発生します。また、顧客が給電線に接続していないため、給電線の電圧降下の唯一の制限は配電効率です。

主電源への給電点での電圧は、主電源の負荷の変化に応じて給電線への電圧供給を変えることにより一定に保たれます。

これは、図3に概略的に示すように、電圧が異なる複数の外部バスバー(電動体として機能する金属製の棒のこと)を発電所に配置し、負荷を変更して給電線をバスバーからバスバーに接続することによって行われます。

たとえば、\(2 \times 120\)ボルトの電圧分布では、発電所または変電所は中心のバスバーOに加えて、それぞれ異なる3つの正のバスバー1、1 ‘、1 “、および3つの負のバスバー2、2’、2″を持つことができます。 図3に示すように、それぞれ、120、125、130ボルトで中心のバスバーとは異なります。軽負荷では、給電線の電圧降下が無視できる場合、給電線は120ボルトのバスバー1、O、2に接続します。

負荷が増加すると、給電線の一部は、転送バスバーによって125ボルトバスバー1 ‘および2’にシフトされます。 負荷がさらに増加すると、125ボルトバスバーにより多くの給電線が接続されます。 その後、一部の給電線は130ボルトのバスバー1 “および2″に接続されます。したがって、給電線への電圧供給を変えることで、主電源の電圧はバスバーの数に応じた精度で一定に維持されます。

ある電圧から別の電圧への給電線の変化は、それによって供給される主電源に対応する電圧変化を意味するのではなく、給電線間の負荷の変化を意味することは明らかであるため、給電線の供給ポイント近くの場所で総電圧の再調整をします。

たとえば、図2の給電線Aの接続ポイントで、隠れたワイヤにより120ボルト未満に電圧降下し、それが主電源に記録され、この給電線が電源電圧125から130にシフトすると、主電源の電流 Aの近くで、最小電圧点としてAに向かって電流が流れる前に電流の方向が反転し、Aから遠ざかる方向に電流が流れ、給電線Aの負荷が増加するため、Aの電圧降下が増加し、隣接する給電線の負荷が減少します。 それにより、電圧降下が減少し、その結果、給電線Aおよびすべての隣接給電線の主電源の電圧が上がります。したがって、給電線の相互接続により、発電所または変電所で使用可能な電圧の数よりもはるかに多い、主電源の電圧の調整が可能になります。

もともと、このような直流エジソン配電システムは、通常は低速蒸気エンジンに直接接続された機械ユニットを備えた複数の直流発電所から供給されていました。それぞれがシステムの中心点と2つの外部導体の間にそれぞれ接続された2つの125ボルトの発電機で構成されています。 このような直流発電システムは完全に姿を消し、1つまたは複数の高電力高電圧三相交流発電所から電力が供給される変電所に置き換えられました。(ただし、 事務所ビル、ホテルなどで時々使用されるような、地元の孤立した発電所を除きます)

変電所では、3線式同期コンバーターが最も頻繁に使われます。つまりこれは、中心線から集電管(コレクターリング)と自動変圧器が電気を引き出す、250ボルトのコンバーターです。 中心線は、3本のライン間で直列に接続された125ボルトのマシンのペアである、個別のバランサーセットによって電気が引き出されるか、または蓄電池から引き出されます。

誘導または同期モーター駆動の直流発電機も時折使用されます。特に交流電源が60サイクルの場合と、2つの別個の125ボルトの発電機またはコンバーターが直列に接続されている場合があり、後者の配置は、その非効率性により、実際には使用されなくなりました。

発電所または変電所内のさまざまなバスバーには、発電所または変電所内のさまざまな発電機またはコンバータをさまざまな電圧で動作させることにより、電圧が供給されます。

そして、発電所または変電所の負荷が増加し、その結果、給電線による高電圧の需要が増加すると、逆に負荷の減少を減らすため、マシンを低電圧から高電圧のバスバーに切り替えます。または、様々なバスバーは、ブースター(昇圧機)を介して、または蓄電池予備との接続などによって操作されます。

給電線と主電源に加えて、タイフィーダー(直訳 : 束縛する給電線)は通常、発電所または変電所を隣接する発電所または変電所に接続します。これにより、軽負荷の期間中または故障した場合、発電所または変電所を完全にシャットダウンし、タイフィーダーによって隣接する発電所または変電所から電力を供給することができます。

このようなタイフィーダーは、ほとんどの発電所または変電所が蓄電池の予備なしで動作することを可能にします。つまり、システムの故障の場合、他の発電所または変電所はタイフィーダーを介して電力を供給されます。

重要度の高いすべての直流配電システムには、機械が再び起動できるようになるまで、完全な事故およびシャットダウンの場合にサービスを維持できる蓄電池予備が含まれています。


ALTERNATING-CURRENT DISTRIBUTION.

交流配電

給電線と主電源のシステムにより、主電源の配電において、最も完璧な電圧調整が可能になります。ただし、大都市の内部のように、非常に集中した負荷の領域での直流配電にのみ適用できます。これは、多数の給電線のそれぞれの独立した電圧調整は、各給電線が大規模な電力量をもつ場合にのみ経済的に許容されるためです。交流システムでは、誘導性(インダクタンス)電圧降下により、このような大電流が単一の導体に集中することが禁止されます。つまり、1,000,000サーキュラーミルの導体は、交流システムでは経済的に使用できません。

導体の抵抗は、導体のサイズまたは断面積に反比例するため、(面積当たりの)電流の増加とともに急速に減少します。1,000,000サーキュラーミルの導体は、100,000サーキュラーミルの導体の抵抗の10分の1であり、したがって同じ電圧降下で直流を10倍運ぶことができます。ただし、導体のリアクタンス、つまり自己誘導によって消費される電圧は、付録Ⅱに記載されている、導体の抵抗とリアクタンスの表からわかるように、導体のサイズが大きくなっても非常にわずかしか減少しません。

 

ワイヤ番号ooo B.&S.ゲージは、ワイヤ番号7の断面積の8倍であるため、抵抗は8分の1です。 しかし、ワイヤNo. oooのリアクタンスは1000フィートあたり0.109オームであり、ワイヤNo. 7のリアクタンスは0.133オーム、つまり1.22倍の大きさです。したがって、No. 7のワイヤーでは、60Hzでのリアクタンスは抵抗の0.266倍しかないため、それほど重要ではありませんが、No.oooのワイヤーではリアクタンスは抵抗の1.76倍です。そして、後者の導体は、オーム抵抗の低下をはるかに超える電圧低下を与える可能性があります。

したがって、抵抗に対するリアクタンスの比率は、導体のサイズが大きくなると急速に増加します。したがって、交流では、厳密な電圧調整が必要な場所では、大きな導体を経済的に使用できません。

したがって、交流では、複数の小さな導体を複数使用することが望ましいです。No. 1の2本の導体は、No. oooの1本の導体と同じ抵抗を持ちます。 しかし、1つの導体No. oooのリアクタンスは0.109オームであり、No. 1の2本の導体のリアクタンスの1.88倍であり、後者は1つの導体No. 1の半分のリアクタンスで、0.058オームです。 2つの導体は別々の回路として使用されます。

交流低圧配電では、導体のサイズ、したがって導体あたりの電流は自己インダクタンスの低下によって制限されるため、交流低圧ネットワークは、直流配電よりも小さいサイズの必要性があります。 

配電の経済性に関しては、交流変圧器と一次配電により多数の二次回路の使用が許可されるため、これは重大な異論ではありません。

交流システムでは、2200ボルトの一次配電システムが使用され、降圧変圧器に給電します。

様々な配置があります。

(a)顧客ごとに個別の変圧器。 これは、顧客があまりにも遠く離れているため、同じ低圧回路や二次回路では到達できない場合に必要です。 したがって、すべての交流システムには、少なくとも個々の変圧器が使用されるいくつかの場合があります。

 

これは最も不経済な配置です。 小型の変圧器を使用する必要がありますが、これは大型の変圧器よりも効率が低く、1キロワットあたりのコストが高くなります。変圧器は、すべてのランプが時折使用される可能性があるため、その負荷容量内で、顧客が設置したすべてのランプが点灯するように構築する必要があります。

ただし、通常は、ランプのごく一部しか使用されておらず、1日のごく一部しか使用されていません。 そのため、変圧器の平均負荷は、その容量のごく一部です。 変圧器の鉄損は、変圧器に負荷がかかっているかどうかに関係なく継続しますが、この不可にかかるコストは顧客が支払わないため、配置の経済性は非常に低くなります。 したがって、この配置が一般的に使用されていた初期の頃には、ほとんどの交流配電の財務結果は非常に落ちこんでいたことが理解できます。

インスタンスとして20の接続負荷を想定:60Wのランプとします。すべてのランプが使用されている場合、100%の過負荷を許容します。これは安全限界をかなり超えており、この負荷が非常にまれにしか発生しないと仮定した場合にのみ許容されます。 ここで、変圧器の定格は600Wです。 4パーセントの鉄損を想定すると、これにより24Wの連続消費電力が得られます。

通常、おそらく1つまたは2つのランプのみが点灯し、これらは1日あたりわずか数時間です。したがって、2つのランプを使用することは、 平均的な夏と冬では1日3時間くらいの使用であり、多くのケースの一番代表的な例だと思います。

2つのランプまたは120ワットを、1日3時間で、平均電力は15ワットになります。これは顧客が支払いますが、変圧器での連続損失は24ワットです。 通年の効率、つまり変圧器で消費される電力に対する顧客が支払う電力の比率は、わずか\(\frac{15}{15+24}\)または38パーセントです。

複数の隣接する顧客を同じ変圧器に接続することにより、条件はすぐにはるかに有利になります。すべての顧客がすべてのランプを同時に点灯することは非常にありえないことであり、同じほど、同じ変圧器から供給される顧客の数が増えます。

したがって、接続されているすべての負荷を動作できる変圧器容量を許可する必要はなくなります。 また、大きな変圧器は効率が高くなります。したがって、例として、20個のランプを接続した4人の顧客がそれぞれ負荷を掛けると仮定します。 平均的な負荷は、約8つのランプになります。1人の顧客が20個すべてのランプを点灯すると仮定すると、他の顧客が一緒に10から15個以上のランプを点灯する可能性は低く、限界負荷で30から35個のランプを運ぶ変圧器でおそらく十分でしょう。

したがって、1500ワットの変圧器は必要以上に大きくなります。 鉄損が3%の場合、これは45ワットの一定の損失をもたらしますが、1日3時間の平均8個のランプの負荷は60Wの有効な出力、またはほぼ60%の年間効率をもたらします。1000Wの変圧器は、年間を通じて67%の効率をもたらします。

これは、小型の変圧器では低鉄損が最も重要であることを示していますが、が\(i^2 r\)損失は、重い負荷でのみ感知できるため、非常に重要性が低く、したがって、通年の効率にほとんど影響しません。

多数の顧客を1つの大きな変圧器から給電される2次主電源に接続することが可能になると、接続された負荷は変圧器の瞬間の容量ではなくなります。 変圧器の容量は平均負荷によって決まり、過負荷に対する安全なマージンがあります。 この場合、平均負荷が接続された負荷の3分の1を超えることはめったにないため、年間を通して効率がよくなります。

したがって、経済的な交流配電では、大きな変圧器から給電される、可能な限り大きな二次配電主電源を使用する必要があります。 ただし、変圧器が二次電流を供給できる距離は、誘導性の電圧降下によってかなり制限されます。したがって、二次主電源を供給するために、60kWより大きなサイズの変圧器はめったに使用されませんが、複数の変圧器が採用されて、異なる点で同じ主電源に給電します。

 


Gr.

メモ : 

busbar : バスバー(電動体として機能する金属製の棒)
low tension : 低圧
neutral : 中心線
mains : 主電源
feeder : 給電線
distribution : 配電
station : 発電所または変電所
generating station : 発電所
substation : 変電所
boostar : ブースター(昇圧機)
tie feeder : タイフィーダー(直訳 : 束縛する給電線)
transformer : 変圧器


A.

i

$$
\begin{align}
& 4 \ horses + 4 \ horses + 4 \ horses = 12 \ horses
\end{align}
$$



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