Villanyszerelők Lapja

Nem csak villanyszerelőknek

Miért éppen 50 hertz?

2016. augusztus 5. | Dobai Gábor energetikus, szakújságíró |  8858 | 3 hozzászólás

Miért éppen 50 hertz?

Hosszú út vezetett a mai villamosenergia-átviteli és elosztóhálózat kialakulásához, csatát vívott egymással ez egyenáram és a váltóáram, különböző feszültségszintek voltak, és a frekvencia is változott.

A periódusszámok kialakulása

Az alkalmazott váltakozó áram frekvenciáját eleinte a hajtógépeknek, generátoroknak az adott esetre szabott legmegfelelőbb megoldási lehetősége szerint szabadon választották meg, aminek az lett a következménye, hogy 15 és 133 ⅓ Hz között mindenféle periódusszámú üzem keletkezett. Egyedi eset, de jellemző a káoszra, hogy Coventry városa Angliában 87 Hz frekvenciával építette ki egyfázisú hálózatát 1895-ben, ami 1906-ig így üzemelt. 1918-ban Londonban 10 különböző frekvencián szolgáltatták az áramot. Amerikában az ívlámpák és szénszálas izzók korában a generátorok jellemzően 8 pólusúak voltak és 2000 1/perc fordulaton pörögtek, amiből az ismert képlet szerint 133 ⅓ Hz frekvencia adódik. A kereskedelmi szempontok még igen rövidlátók voltak, az áramtermelő erőművek együttműködésének gondolata föl sem merült még. Európában, kezdetben leginkább a magyar ipar zászlóshajójának számító Ganz gyár állásfoglalása következtében a 41 ⅔ Hz-re gyártott berendezéseket használtak. A németországi Edison vállalat által alapított AEG által megépített első német erőmű 50 Hz frekvenciára lett tervezve, állítólag azért, mert a 60 nem előnyös szám, vagyis nem illeszthető a metrikus rendszerbe. Mivel abban az időben az AEG egy virtuális monopóliumnak számított Európában, 1891-től kezdve az 50 Hz terjedt el a kontinensen. Kivételt képeztek az egyfázisú váltakozó árammal villamosított vasutak, amelyeken kezdetben amerikai mintára a 25 Hz, majd svájci és német állásfoglalás következtében a 15 kV 16 ⅔ Hz periódusszámot tették általánossá.

Cél az egység

Az Amerikai Egyesült Államokban már igen korán egységesítésre törekedtek, ezért ott csak kétféle frekvencia terjedt el, úgymint 25 Hz az iparban és a vasúti vontatásban, valamint 60 Hz a világítási és a kommunális fogyasztók körében. 1897-ben a Westinghouse Electric Co. elhatározta, hogy egységesíti a villamosenergia-rendszert a termeléstől a fogyasztókig, figyelembe véve azt az igényt, hogy az egységes hálózati frekvenciának egyaránt alkalmasnak kell lennie a világítóberendezések és az indukciós motorok működtetésére. Bár az 50 Hz-es rendszer már használatban volt, és a megfogalmazott műszaki követelményeknek megfelelt, 1890-ben a Westinghouse úgy gondolta, hogy az ívlámpák számára mégiscsak kedvezőbb lenne valamivel magasabb frekvencia, így a 60 Hz szabványosítása mellett döntöttek. 1893-ban a General Electric Corporation a német AEG-vel közösen indított egy 50 Hz-es erőműprojektet Mill Creekben, Kaliforniában, azonban a piaci részesedés megtartása érdekében egy évvel később a Westinghouse-szabványnak megfelelően 60 Hz-re változtatták a terveket. Az 1914-ben épült, Au Sable Electric Company által üzemeltetett 110 kV-os 30 Hz-es átviteli rendszer 1948-ig üzemben volt.

A 220 V

A fémszálas izzólámpák elterjedésével a berlini áramszolgáltató, a Berliner Elektrizitas Werke (BEW) 1899-ben, kihasználva, hogy wolframszálat nagyobb feszültségre is lehet gyártani, úgy döntött, hogy ellátási területén a 110 V feszültséget 220 V-ra emeli, amit aztán a többi áramszolgáltató is sorra átvett. Több 40 Hz-es rendszer épült a XIX. század végén, amelyek szigetüzemben működtek. 1891 és 1901 között egy nagy, összefüggő, 40 Hz frekvenciájú rendszert építettek Északkelet-Angliában, egy 175 km hosszú távvezetékkel a Newcastle-Upon-Tyne Electric Supply (GMES) kezelésében, amely 1912-ben a világ legnagyobb egybefüggő villamosenergia-rendszerének számított, s az 1920-as évekig működött. A projekt atyja Charles Merz és William McLellan volt. A legrégebben működő kereskedelmi célú vízerőmű az USA-ban, a Mechanicville New York államban, amely még mindig 40 Hz-es frekvencián termeli a villamos áramot, amit aztán frekvenciaváltókon át táplálnak a 60 Hz-es távvezeték-hálózatba. A XX. század elején egy General Electric Co. tanulmány megállapította, hogy a 40 Hz jó kompromisszum lehetett volna a világítási, a motoros fogyasztók és az átviteli hálózat szempontjából.

A 25 hertz születése

A Niagarán az első jelentősebb vízerőművet a Westinghouse érdekeltségű Niagara Falls Power Company (NFPC), ill. leányvállalata, a Cataract Co. építette 1890-1895 között. 1893 októberében megszületett a végleges döntés arról, hogy az áram termelését végző kétfázisú generátorokat javaslatuk szerint a Westinghouse cég szállítja, az energia továbbítására pedig a General Electric által javasolt háromfázisú rendszert fogadták el, amibe beleértendő az átalakítást végző Scott-transzformátoros átalakító is. A Scott-transzformátor két független egyfázisú rendszert vagy egy kétfázisú rendszert alakít át egy háromfázisú rendszerré, vagy fordítva. Érdemes megfigyelni, hogy a két transzformátor mágneses köre különálló, és a menetszámok (2. ábra) egymáshoz viszonyított aránya rögzített. A Scott-transzformátor egy másik, mai gyakorlati alkalmazási területe a vontatási alállomásokban van, ahol azért alkalmazzák őket, hogy a mozdonyok egyfázisú terhelését a 120 kV-os főelosztó hálózat fázisai között szimmetrikusan oszszák szét.

1. ábra: A Scott-transzformátor elvi kapcsolása, amely a kétfázisú, 90° fázisszögű váltakozó feszültségből
háromfázisú, 120° fázisszögű váltakozó feszültséget hoz létre, miközben a frekvencia nem változik

2. ábra: A Scott-transzformátor kapcsolása a fázisirányoknak megfelelően beforgatva,
3-fázisú, 120 fokos feszültségből 2-fázisú, 90 fokos feszültséget állít elő, illetve fordítva

1895 augusztusára a GE befejezte a 43 km-es, 11 kV feszültségű távvezeték és a 7,5 MW-os transzformátorállomás építését, és az első cég, amely használhatta a Niagara vízesésnél termelt áramot, a Pittsburgh Reduction Company volt, amelyből később a nagy alumíniumgyártó cég, az Aluminium Company of America (ALCOA) lett. Az év végére a vezetékhálózat teljesen kiépült Buffalóban és a környező településeken. George Westinghouse szíve szerint a 33 ⅓ Hz-et választotta volna az alacsony frekvenciatartományból, de a turbina fordulatszámát hidrodinamikai számítások alapján a Sir William Thomson (később Lord Kelvin) által vezetett Nemzetközi Niagara Bizottság 250 1/percben már végérvényesen meghatározta. Ehhez kellett igazítani a villamos paramétereket. Több vállalat képviselői vettek részt a műszaki tanácsadásban, akik között fölvetődött, hogy szállítsanak 16 ⅔ Hz-es nehéz kommutátoros generátorokat, de Westinghouse ezt kifogásolta, mondván, hogy vibrálnának a lámpák ezen a frekvencián. Végül arany középútként 25 Hz-es, 12 pólusú, 250 1/perc fordulatra tervezett generátorok szállítására született megrendelés. A Niagara-projekt sikere óriási hatást gyakorolt az elektromos rendszerek tervezésére Észak-Amerikában és szerte a világban, gyökeresen meghatározta a villamosenergia-termelés és -szállítás módját. A 25 Hz frekvencia ezután szabvány rangjára emelkedett, és évtizedekig uralkodott az iparban és a vasúti vontatásban. A Niagara Falls generátorait 1950-ben 60 Hz-esre cserélték. A beruházás külön érdekessége, hogy a két nagy rivális, a Westinghouse és a GE osztozni volt kénytelen a projekten, pedig ekkorra a Westinghouse már nem először került kapcsolatba a Niagarával, ugyanis ők építették ki a vízesés világítását ellátó váltakozó áramú rendszert. A General Electric bevonása a Niagara projektbe a befektetők érdeke volt, másrészt ez élénkítette a gazdasági versenyt, ez szolgálta leginkább a költségek alacsony szinten tartását, és serkentőleg hatott a gazdaság egészére. Edison cége viszont csak úgy tudott valamennyire részesülni az üzletből, hogy a „War of Currents” lezárása után kénytelen volt megvásárolni Westinghouse-tól a Tesla-féle többfázisú rendszer szabadalmi jogait, és elkezdte gyártani váltakozó áramú gépeit. Edison cégei enélkül megszűntek volna létezni. A General Electric egykori mérnöke és az Amerikai Villamosmérnökök Intézetének elnöke, Dr. Charles F. Scott később eképpen nyilatkozott: „A Niagara-vállalkozás és Tesla rendszerének egyidejű létrejötte szerencsés egybeesés volt. 1890-ig nem volt más megfelelő módszer ekkora nagyságú villamos teljesítmény kezelésére… A többfázisú rendszer sikerre vitte a Niagara-vállalkozást, és fordítva, a Niagara azonnali megbecsülést szerzett az új villamos rendszernek… Tesla többfázisú rendszerének 1896-os bevezetése kétségtelenül minden idők legnagyobb mérnöki teljesítménye.”

Költségoptimalizálási törekvések

Mivel az egyes feszültségek és frekvenciák közötti átalakítások az átviteli költségek lényeges részét képezik, nem mindegy, hogy hányszor kell átalakítani a villamos energiát, mire az erőműtől eljut a fogyasztóig. Egyre világosabbá vált, hogy a minimalizált tőkebefektetés és ezáltal az olcsó tömeggyártás, valamint a tervszerű és takarékos villamosenergia-gazdálkodás, az egyes rendszerek és országok közötti kooperáció elengedhetetlen feltétele az áramnemek, a feszültségek és a periódusszámok egységesítése. 1905-ben Charles Merz villamosmérnök megpróbálta befolyásolni az angol parlamentet, hogy egységesítsék a szigetország különálló villamoshálózatainak feszültségét és frekvenciáját, de csak az első világháború idején kezdte a parlament ezt az ötletet komolyan venni. Nagy nehezen parlamenti bizottságot alakítottak a műszaki problémák kezelésére, Merz pedig 1916-ban rámutatott arra, hogy Angliának igen előnyös lenne egy sűrűn kiépített elosztóhálózat az ipar fejlesztése és az élelmiszerellátás javítása szempontjából. Charles Merz ösztönzésére Williamson Report liberális képviselő 1919-ben egy ilyen értelmű, illetve az egységesítést célzó törvényjavaslatot terjesztett az angol parlament elé. Ezt a törvényjavaslatot tekinthetjük az első lépésnek az integrált villamosenergia-rendszer megteremtése felé. Nagy-Britanniában a National Grid 1926-ban kezdett rendet rakni a frekvenciák között, de a számos egymással rivalizáló szolgáltatóval ez igen nehézkesen haladt, ezzel együtt sikerült 1926-ban létrehozni az első szinkronban működő kooperációs hálótatot 132 kV-on és 50 Hz-en. Az 1930-as évektől kezdődőleg jelentős eredményeket értek el Angliában, s 1936-37-ben befejezték az egységes nagyfeszültségű alaphálózat kiépítését, az ún. Gridet, melyben a távvezetékek teljes hossza kb. 8000 km volt, az együttműködő erőművek összteljesítménye pedig kb. 900 MW. Csak a második világháború után jutottak el odáig, hogy sikerült az 50 Hz használatát a szabvány rangjára emelni. A Grid 1946-ban 142 erőművet egyesített a rendszerben, melyek összes beépített teljesítménye elérte a 11 600 MW-ot, 1951-ben pedig a bekapcsolt erőművek száma 289, beépített teljesítményük pedig 14 600 MW volt. 1957-ben Anglia egyesített energiarendszerének teljesítménye meghaladta a 20 GW-ot.

Különböző frekvenciájú hálózatra dolgozó generátorok szinkron fordulatszáma a generátorok pólusszámának függvényében
Pólusok száma 133 ⅓ Hz 60 Hz 50 Hz 40 Hz 25 Hz 16 ⅔ Hz
2 8000 3600 3000 2400 1500 1000
4 4000 1800 1500 1200 750 500
6 2666,66 1200 1000 800 500 333,33
8 2000 900 750 600 375 250
10 1600 720 600 480 300 200
12 1333,3 600 500 400 250 166,66
14 1114,9 514,3 428,6 342,8 214,3 142,9
16 1000 450 375 300 187,5 125
18 888,9 400 333 ⅓ 266 ⅔ 166 ⅔ 111,1
20 800 360 300 240 150 100

Az 50 és a 60 Hz

Magyarországon Budapest VII. és VIII. kerüle-tében még az 1950-es években is volt 110 V egyenáramú hálózat. Jelenleg Európában 50 Hz, Amerikában 60 Hz frekvenciájú 4 vezetős 3 fázisú áramrendszer van szabványosítva, és a dolgok jelenlegi állása szerint ez így is marad. Az 50 és 60 hertzes frekvencia békés egymás mellett élése hosszú távon is fennmaradni látszik, egyrészt, mert mindkét rendszer oly nagymértékben elterjedt, oly mély gyökereket eresztett elterjedési területének talajába, hogy megváltoztatásuk műszaki-gazdasági szempontból gyakorlatilag megoldhatatlan, másrészt pedig annyira nem is fontos. Mindkét rendszernek vannak ugyanis előnyei és hátrányai a másikkal összehasonlítva, amelyek nagyjából kiegyenlítik egymást, másképpen fogalmazva egyiknek sincs akkora előnye a másikkal szemben, ami indokolna egy fél világot érintő átalakítást. Abban viszont elképzelhető változás, és az érintett országok szakpolitikusai hajlanak arra, hogy a 100-127 V-os elosztó hálózatokat 220-240 V-osra alakítsák át. A világban működő villamos hálózatokból vételezett villamos áram paraméterei persze nem ideálisak, vagyis a villamos energia minőségi jellemzői nem teljesülnek minden pillanatban. Magyarországon a feszültségtartás, aszimmetria, harmonikus-tartalom, frekvencia-ltérés toleranciasávjait az MSZ EN 50160-as szabvány rögzíti.

Átviteli hálózatElosztóhálózat



A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.


Hozzászólások


2017. ápr. 25. | Dobai Gábor

ún. 2 x 25 kV-os rendszer van kiépítve.


2017. ápr. 25. | Dobai Gábor

1. Ha két oszlopot járom köt össze, akkor az voltaképpen egy lánc típusú transzformátor. Az ennek kivezetésein jelen lévő feszültségeknek más lenne a fázishelyzete. 2. A cikkben lévő utalás a villamos vontatásra nem a MÁV rendszerére vonatkozik. Újabb infó szerint a MÁV-nak 38 vontatási alállomása van. Ezek transzformátorai valóban egyfázisúak, de a 120 kV-os hálózatnak két-két fázisára csatlakoznak, vagyis vonali feszültségre. A 30-as és 41-es vonalon


2017. ápr. 2. | Futár Ernő

Bocsánat, csak két apróság: 1. Lehetne éppen a vasmagja egy a Scott-kapcsolásnak, 2 szélső oszlop, középen járom. 2. Magyarországon a MÁV transzformátorai 120 kV vonali feszültségre kapcsolt egyfázisú transzformátorok - mint eme cikkben is írják: https://www.villanylap.hu/hirek/3836-ermvektl-a-villamos-mozdonyokig--a-mav-alallomasainak-mkoedese .