Betragtninger omkring vekselstrøm anno 1889

Som en indledende sondering før etablering af det første offentlige elektricitetsværk i København, rejste daværende teknisk fuldmægtig ved Kjøbenhavns Gasværker, Ib Windfeld-Hansen [1845-1926], i en måneds tid i januar og februar 1889 rundt i Europa for at danne sig nogle indtryk af de forskellige kraftværker, der var i drift på dette tidspunkt. Fx havde Berlin allerede i 1885 fået etableret en elektrisk centralstation. Indtrykkene fra byer i lande som Tyskland, Holland, Schweiz og England resulterede i en rejseberetning til Københavns magistrat på 48 sider.

Windfeld-Hansen afslutter den udarbejdede beretning med nogle overvejelser omkring valget mellem vekselstrøm og jævnstrøm. Han fremfører, at jævnstrøm er at foretrække ved installationer med en begrænset udstrækning og høj for­brugstæthed. Vekselstrøm er til gengæld fordelagtig ved forsyning af større områder med spredte aftagere. Hvad så, hvis der både er tale om et område af stor udstrækning samt tæt placerede forbrugere? En højspændt vekselstrøm synes at tage føringen men så fremføres det, at der ligeså vel ved jævnstrøm kan laves designs, hvor transporten af elektricitet foregår ved en høj spænding.

Det synes som om AC og DC i ovenstående scenarie kan gå nogenlunde lige op hvad angår etableringsomkostninger. De to strømtyper anskues følgelig ud fra forskellige parametre. AC anses for at være farligere end DC ved samme spænding. Det er endvidere tvivlsomt at opnå en ordentlig isolering for jordlagte AC-kabler, hvorfor der som oftest anvendes luftledninger. Det anses for problematisk at koble flere AC-generatorer på et fælles net (synkronisering). Ved AC skal den producerede effekt hele tiden tilpasses det aktuelle forbrug i modsætning til backup muligheden ved brug af akkumulatorer i DC-net. Spændingsreguleringen på AC-net forkommer mindre veltilpasset end ved DC-net. Der finder et betydeligt tab sted i transformatorer ved AC-net. Der er endvidere ikke fabrikeret en anvendelig vekselstrømsmotor og buelamper støjer ved forsyning med veksel­strøm. Pilen peger ikke imod, at Københavns første elektricitetsværk skal baseres på vekselstrøm. Nedenfor følger Windfeld-Hansens ræsonne­menter...

"I Deptford, som ligger ved Themsen ca. 5 engelske Mil øst for Midten af City, bygges en Centralstation, som fuld færdig skal kunne forsyne 2 Millioner Glødelamper à 10 Normallys eller næs­ten Halvdelen af de i London værende Gasblus. De elektriske Strøm­me forlade Stationen med en Spænding af 10,000 Volt, og Ledningerne føres ad Jernbanen ind i Byen, hvor de paa forskjel­lige Knudepunkter transformeres til Strømme af 2400 Volts Spænding. Fra Knudepunkterne føres Ledningerne overjordisk over Husene eller eventuelt underjordisk omkring i Byen og fordeles til de forskjellige Konsumenter, hvor der opstilles Trans­formatorer, der atter formindske Spændingen fra 2400 til 100 Volt, saa at altsaa Ledningerne i Husene kun føre lavtspændte Strømme."

Forinden jeg slutter denne Beretning kan jeg ikke undlade at berøre et Spørgsmål, som for Tiden i høj Grad beskjæftiger alle, der have med elektriske Lys at gjøre, nemlig det Spørgsmaal, om hvad der er fordelagtigst, enten at bygge Centralstationer med ensrettede Strømme, eventuelt i Forbindelse med Akkumulatorer, eller med Vexelstrømme og Transformatorer.

Spørgsmaalet lader sig ikke løse i Almindelighed, da det meget beror paa de lokale Forhold, hvilket System, der i ethvert givet Tilfælde vil være det bedste.

Som Regel kan man sige, at ved alle smaa Installationer eller Blokstationer, ville ensrettede Strømme være at foretrække, ligesaa ved Centralstationer i tæt befolkede Distrikter, hvor Forsyningsafstanden ikke overstiger 800 á 1000 Meter. Er Forsyningen derimod spredt, som f. Ex. i Schweitz og i det sydlige Frankrig, hvor Byerne ere smaa, og hvor der findes mange Fabriker spredte omkring i Terrainet i indbyrdes store Afstande, da har Transformer­systemet betydelige Fordele paa Grund af de billige Ledninger.

Vil man derimod forsyne et stort og befolket Distrikt af betydelig Udstrækning, f. Ek. en større By med elektrisk Belysning, fremkommer det Spørgsmaal, hvilket System man skal give Fortrinet. Skal man enten bygge flere Centralstationer for ensrettede Strømme, saaledes som Edison­selskabet har gjort i Berlin, eller skal man, som paatænkt i Barmen, indrette en Station for ensrettede Strømme med detacherede Akkumulatorstationer, eller vil det være rigtigere at vælge Vexelstrømme af høj Spænding med Transfor­matorer som ved det store Deptforder-Anlæg i London?

Hvorledes Forsyningen fra flere Stationer foregaar i Berlin er nærmere omtalt i Beretningen, og ligeledes er der givet en udførlig Fremstilling af den store Centralstation i London og den Maade, ved Hjælp af hvilken Elektriciteten tænkes fordelt fra denne Station. Hvorledes en Fordeling ved Hjælp af detacherede Akkumulatorbatterier kan finde Sted, er antydet i Figur 56, som i skematisk Fremstilling viser en Anordning, der er udført (af Crompton) i Wien. De 4 Akkumulatorbatterier, som ere opstillede i ca. 1400 Meters Afstand fra Centralstationen, ere anbragte i Serie og fødes samtidig med, at hvert Batteri forsyner sit særlige Strømløb med Lamper, anbragte i Parallel­forbindelse. Hovedstrømmens Spænding er 430 á 480 Volt, medens de sekundære Strømkredse have 100 Volts Spænding. Ved bevægelige Celler kan Spændingen reguleres, ligesom ved Anlæget i Barmen. Denne Forsyningsmaade kan udstrækkes videre, og man kan f. Ex. anbringe 8 Batterier i Serie ved at bruge 800 Volts Spænding, eller man kan ordne 2 og 2 Batterier i Parallel­forbindelse og kun bruge den halve Strømstyrke osv. - der gives kort sagt en stor Mængde Kombinationer, som kunne benyttes eftersom Forholdene ere.

Enhver af disse Methoder har sine Fortrin og Mangler.

Ved Anvendelse af Vexelstrømme og Transformatorer opnaaes en stor Besparelse i Udgifterne til Ledninger. Et Exempel vil vise dette. Antages en Strøm tilstrækkelig til Forsyning af 10,000 Stk. 16 Lys-Lamper, at skulle for­plantes igjennem en Ledning paa 2000 Meters Længde med Vexelstrømme til et Knudepunkt, hvorfra Strømmen skal fordeles videre, efter at Spændingen er reduceret. Antages endvidere, at det er tilladt at anvende en Spænding af 2000 Volt, da vil den totale Energi, der skal forplantes blive 60 × 10,000 = 600,000 Watt, under Forudsætning af, at en 16 Lys Lampe behøver en Strømstyrke af 0,60 Ampère med en Spænding af 100 Volt. Med en Spænding af 2000 Volt paa Hovedstationen vil der være en Strømstyrke i Ledningen af:

600,000/2000 = 300 Ampère.

Under Forudsætning af en tilladelig Strømstyrke af 2 Ampère pr. []^mm, vilde Ledningens Tversnit blive

150 []^mm.
med et Spændingstab af ca. 7¼ %.

Vægten af Kobberet i Ledningen vilde blive

5,340 Kilogram.

Vilde man under ovennævnte Forudsætninger bruge ensrettede Strømme af 100 Volts Spænding, vilde Strømstyrken i Ledningen blive:

600,000/100 = 6000 Ampère.
og Ledningens Tversnit med et Spændingstab af 7¼ %, ligesom ved Vexelstrømme

60,000 []^mm. Kobber.

Hele ledningen vilde da faa en Kobbervægt af:

2,136,000 Kilogram.
eller omtrent 400 Gange saa meget, som Ledningen for Vexelstrømme.

Denne Sammenligning, som i Almindelighed anføres af Fabrikanter, som give sig af med Fabrikation af Vexel­strømmaskiner og Transformatorer, er imidlertid vildledende og viser kun, hvor nødvendigt det er at bruge højt­spændte Strømme ved Forplantning af elektrisk Kraft på Afstand. I Virkeligheden vil man ikke bygge nogen enkelt Centralstation for ensrettede Strømme til Forsyning paa den ovenangivne Afstand, men, hvis man under saadanne Forhold vilde benytte ensrettede Strømme, maatte man anvende Akkumulatorer og Strømme af stor Spænding, hvorved man selvfølgelig vilde kunne opnaa det Samme, som ved højtspændte Vexelstrømme. Afgjørelsen af hvilket System, der er det billigste, beroer da paa om Akkumulatorer eller Transformatorer ere billigst i Anlæg og Drift, idet der dog tillige maa tages Hensyn til, at Maskinanlæget kan reduceres ved Anvendelse af Akkumulatorer.

Det viser sig nu i Virkeligheden, at der kun bliver en meget ringe Forskjel i Udgifterne ved de to Forskjellige Systemer, og Afgjørelsen af, hvilket der er det bedste, afhænger væsentligst af, hvilke Fordele og Mangler, der findes ved dem, ligesom selvfølgelig ogsaa lokale Forhold kunne faa en betydelig Indflydelse.

Den første Indvending, der i Almindelighed anføres imod Anvendelse af Vexelstrømme, er, at de ere livsfarlige, især ved Spændinger paa 2000 Volt og derover. Dette er ogsaa Tilfælde, og selv Vexelstrømme af lavere Spænding kunne blive farlige; men hertil maa dog bemærkes, at der i Reglen sørges for, at Ledningerne med de højtspændte Strømme ligge saaledes, at Folk ikke let kunne blive udsatte for Berøring med dem. Det er egentlig kun paa Central­stationerne, at nogen Ulykke kan ske; men ogsaa her kan der gjøres meget for at hindre ufrivillig Berøring med saadanne Dele af Maskineriet, hvor der findes stærkt spændte Strømme. I de sekundære Strømkredse er der sjelden større Spænding end 100 Volt, hvad der ikke frembyder mindste Fare. Det er derfor meget sjeldent, at der virkelig passerer noget Ulykkestilfælde ved Stationer for Vexelstrømme, og Frygten for disse er vist noget overdrevent. Der er neppe mere Fare Herved, end ved mange andre af Nutidens industrielle Anlæg, som man i sin Tid nærede Frygt for, medens man nu betragter dem som lidet farlige. Derimod kan det ikke nægtes, at Vexelstrømme ere ulige farligere, end ensrettede Strømme af samme Spænding, og de sidste have derfor ogsaa i den Retning en Fordel fremfor hine.

En betydeligere og meget væsentlig Omstændighed ved Benyttelse af Vexelstrømme af høj Spænding, er Vanskeligheden ved at erholde tilstrækkelig Isolation for Kabler, som lægges under Jorden. Jeg har tidligere gjort opmærksom herpaa og anført, at der ved næsten alle elektriske Centralstationer med Vexelstrømme og Transfor­matorer benyttes overjordiske Ledninger. Thi kun ved Luften opnaaes den fornødne Isolation for Vexelstrømme med stor Spænding. I Amerika har man gjort betydelige Anstrængelser for at isolere underjordiske Ledninger for Vexelstrømme, uden at det endnu kan siges at være lykkedes. Den bekjendte Elektrotekniker Elihu Thomson i Amerika har derfor ogsaa fornylig udtalt, at hvor der findes Ledninger med over 1500 Volts Spænding, bør disse ligge frit, saaledes at de let kunne inspiceres. Men herved taber Systemet sin Anvendelighed paa de Steder, hvor man ikke vil finde sig i de mange overjordiske Ledninger.

	Profil af Deptforder kablet.

Som omtalt ved Deptforder-Anlæget har Ferranti konstrueret en Ledning for Vexelstrømme, som han anser for farefri og tilstrækkelig isoleret men hvorvidt dette er Tilfældet skal først vise sig. Ledningerne paatænkes forøvrigt lagt overjordisk, hvor det paa nogen Maade er muligt.

En anden Ulempe ved Vexelstrømme er, at det er vanskeligt - i hvert Tilfælde ved større Maskiner - at lade flere virke paa samme Strømkreds eller at synchronisere dem. Det gjøres ganske vist enkelte Steder i Amerika og blandt Andet ogsaa i Rom, dog væsentligst ved Buelys; men ved de store Anlæg i London har man opgivet det. Der fremkommer derfor altid Ulemper og Uregelmæs­sigheder, naar Maskiner skulle sættes fra og til. Man er nødt til at bruge saa faa Dynamoer som muligt for ikke at faa for mange Omskiftninger. Men derved er der den Ulempe, at man ikke tilnærmelsesvis kan afpasse Kraften efter det tilstedeværende Forbrug, hvorved Kulforbruget bliver større end nødvendigt og Driften uøkonomisk. Dertil kommer, at man ikke som ved ensrettede Strømme har noget Middel til at opspare eller aflagre Elektriciteten, men til enhver Tid maa producere, hvad der forbruges. Enhver lille Uregelmæs­sighed paa Stationen forplanter sig til hele Strømløbet. Forsyningen kan derfor ikke foregaa saa paalidelig, som ved Stationer med ensrettede Strømme, der kan udmærke sig ved en forbavsende Sikkerhed selv uden Akkumulatorer. Medens man saa godt som aldrig hører Klager over Uregelmæssigheder ved disse, er dette hyppige Tilfælde ved Anlæg med Vexelstrømme, og navnlig i London har der ofte været Afbrydelser og Uregelmæssigheder ved de derværende Stationer med Vexstrømme og Transformatorer. Endelig kan Reguleringen ikke drives til den Nøjagtighed ved Vexelstrømme, som ved ensrettede Strømme, og der kan ofte iagttages en paafaldende Forskjel paa Lamper, der ere anbragte i større og mindre Afstande fra Centralstationen.

Hvad Transformatorerne angaa, da finder der, som jeg tidligere har omtalt altid et Krafttab Sted igjennem disse.

Det angives meget forskjelligt, men kan gjennemsnitlig neppe regnes for lavere end 30 %. Nogle angive indtil 50 % og Crompton anfører endog, at der til en Lampebrændetime à 16 Normallys ved Vexelstrømme og Transfor­matorer bruges 0,85 Kilogram Kul, naar alle Tabene medregnes, medens der ved ensrettede Strømme kun bruges knap 0,2 Kilogram til det samme, altsaa neppe en Fjerdedel. Det er muligt, at der her er regnet noget vel meget i Disfaveur af Vexelstrømme; men der vil altid være en betydelig Forskjel i Kulforbruget ved de to Anlæg.

Endnu maa bemærkes, at Stationer ved Vexelstrømme ikke kunne kobles sammen, saaledes som man har gjort det ved Centralstationerne i Berlin. Man maa derfor helst som i London ved Anlæget af en Centralstation med Vexelstrømme i en By, indrette Stationen til med Tiden at forsyne hele Byen, selv om det kun i Øjeblikket betaler sig at tage en Del af Byen. Dette forøger Anlægsomkostningerne i ikke ringe Grad i Begyndelsen og har vel ogsaa bidraget til at Stationer med Vexelstrømme ved flere Konkurrencer i Tyskland har været dyrere i Anlæget, end Stationer med ensrettede Strømme. Tilmed maa det anses for uheldigt, at en Byes Forsyning er afhængig af én Anstalt, da et Ulykkestilfælde, t. Ex. Explosion eller Brand, vil stoppe hele Forsyning.

Endnu kan der nævnes nogle andre Mangler, som findes ved Benyttelse af Vexelstrømme, og den Væsentligste af disse er, at der endnu ikke er konstrueret en eneste brugelig Elektromotor, som kan drives ved Hjælp af vexlende Strømme. Forskjellige Fabrikanter paastaa at have løst Spørgsmaalet; men endnu er der ikke fremvist nogen Motor, som er brugbar. Sagen er af ikke ringe Betydning, thi det synes trods de forholdsvis høje Priser, hvoritl Elektriciteten nu leveres, som om Elektromotorer ville faa en stor Anvendelse i Praxis i mange Øjemed.

Endelig skal omtales en mindre Ulempe ved Anvendelse af Buelamper ved Vexelstrømme, nemlig den Støj, som de frembringe, og som gjør dem ubrugelige til Belysning inden Døre, i ethvert Tilfælde under mange Forhold. Der blev paa min Rejse ofte sagt, at der fandtes Lamper, som vare ganske rolige; men det er ikke lykkedes mig at faa nogen saadan at se, og Overingenieuren ved Brush Kompagniet i London indrømmede, at han ikke kjendte nogen Bue­lampe, som ikke frembragte nogen Støj, naar den fødedes ved Vexstrømme.

Som det af det ovenanførte vil fremgaa, er der endnu adskillige Mangler ved elektriske Centralstationer med Vexelstrømme og Transformatorer, og under de fleste Forhold vil man vel derfor i Almindelighed, i hvert Tilfælde for Tiden, foretrække ensrettede Strømme, selv om de ogsaa i Anlæget blive noget dyrere. Om man da for et større Distrikt skal bygge flere Stationer eller bruge Akkumulatorstationer, som lades fra Centralstationen, eller mulig ordne sig paa anden Maade, maa afgjøres i hvert enkelt Tilfælde efter de særlige Forhold, og nogen Regel lader sig ikke opstille herfor.

Den eneste Mangel ved Centralstationer med ensrettede Strømme og lav Spænding er, at de ikke egne sig for Anbringelse af Luftledninger paa Grund af de store Kabler, som i Reglen maa anvendes, og paa Grund af hele Maaden, hvorpaa Fordelingen finder Sted.

Det er kun ved smaa Stationer, at Ledningerne kunne føres overjordisk. Men denne Mangel faar ikke stor Betydning ved Centralstationer i større Byer, da man der i Reglen maa foretrække at lægge Ledningerne underjordisk, selv om der ogsaa skal offres noget derpaa.

Med Hensyn til de underjordiske Ledninger ved Centralstationer med ensrettede Strømme bemærkes, at man ved disse kan opnaa en meget høj Isolationsmodstand. Jeg har ofte haft Lejlighed til paa min Rejse at overbevise mig om, hvor ringe Strømtab der finder Sted selv ved større Centralstationer. Tabet er i Almindelighed ikke tilstrækkeligt til at bringe en Glødelampe til at gløde, og det findes altid ved de private Installationer. Opstaar der paa et Sted et større Tab kan man øjeblikkelig se det paa Centralstationen, og man finder da Fejlen ved den saakaldte „Udbrænd­ings­methode“, som bestaar i, at man sender en stærk Strøm igjennem en Ledning, der er i Forbindelse med Jorden, hvorved Sikkerhedstraaden foran den beskadigede Ledning brænder over. Den paagjældende Konsument, hos hvem Fejlen findes, vil da snart melde sig paa Centralstationen.

Ledninger fra Centalstationer for ensrettede Strømme have i Reglen et stort Kobbertversnit, hvad der i Almindelighed bringer Folk paa den Tro, at Kobberet og Kobberpriserne spille den væsentligste Rolle ved et underjordisk Ledningssystem. Dette er imidlertid saa langt fra at være Tilfælde, at det endog kun har en underordnet Betydning om Kobberet koster lidt mere eller mindre; ja selv de meget høje Priser i forrige Aar influerede kun i ringe Grad paa Anlægsudgifterne for Ledningerne ved en Centralstation. Omkostningerne ved Isolationen, Forbindelserne, Nedlægningen etc. ere langt væsentligere ved underjordiske Kabler, end Kobberets Værdi. Som Exempler herpaa skal jeg anføre, at en underjordisk Dobbeltledning paa 50 [] Millimeter Tversnit, som, efter en Pris af 7¼ d. pr. Pd. af Kobber, pr. 100 Yards koster £ 5, 18 sh. til Kobber, ialt med Nedlægning og Tilbehør vil koste £ 70, eller omtrent 12 Gange saa meget som Kobberet. Til en underjordisk Dobbeltledning med et Tversnit af 332 []^mm med en Længde af 100 Yards koster Kobberet 37 £, 5 sh., medens Hele Ledningen nedlagt koster £ 179 for samme Længde o. s. v. Jo større Ledningens Tversnit bliver, desto mere Indflydelse faar Kobberet.

Til Slutning skal jeg ikke undlade at fremhæve, at jeg overalt paa min Rejse har mødt den største Velvilje, saavel hos Autoriteterne som hos de private Forretningsmænd, som jeg har henvendt mig til for at søge Oplysninger vedrørende Formaalet for min Rejse.

Kjøbenhavn i April 1889

[Ib Windfeld Hansen: Centralstationer for Elektrisk Lys, Rejseberetning til Kjøbenhavns Magistrat, 1889]

Stationen er baseret paa ens rettede og lavt spændte Strømme. Da dette System blev valgt her for København, var der i Udlandet en heftig Kamp imellem Elektrikerne om, hvorvidt der til større Centralstationer burde anvendes ens rettede Strømme af lav Spænding eller Vekselstrømme af høj Spænding i Forbindelse med Transformatorer. Næsten i enhver større By i Udlandet, som tænkte paa at indføre elektrisk Belysning, drøftedes Fordelene og Manglerne ved de 2 Systemer, og Vanskelighederne ved Valget den Gang gjorde, at flere større Byer stillede Sagen i Bero. Som et interessant Eksempel herpaa kan nævnes Frankfurt am Main, hvor det allerede i 1888 var vedtaget at bygge en Centralstation for Kommunens Regning. I Foraaret 1889 havde man allerede indhentet en stor Del Tilbud fra de betydeligste Firmaer her i Europa baade paa Stationer med ens rettede og vekslende Strømme, men trods Tilkaldelsen af bekendte og dygtige Fagmænd samt Forsøg og Prøver i større Maalestok, som anstilledes af en sagkyndig Kommission, lykkedes det dog ikke at faa en Afgørelse, og da der under Overvejelserne blev Tale om en elektrisk Udstilling i Frankfurt i 1891, opsatte man at tage en Beslutning, indtil Udstillingen havde fundet Sted. Men efter at Udstillingen var sluttet i Oktober 1891, var man ikke kommet et Skridt videre end for 2 Aar siden, og Valget var maaske blevet endnu vanskeligere idet der paa Udstillingen blev fremstillet et nyt System til Fremstilling af elektrisk Lys, nemlig den saakaldte „Drehstrom“, en Kombination af ens rettede og vekslende Strømme, som synes at frembyde flere Fordele i enkelte Retninger.

Som det er gaaet Frankfurt, saaledes er det gaaet mange andre større Byer f. Eks. Dresden, Leipzig, München, medens mindre Byer som Dessau, Elberfeld, Darmstadt og Lübeck allerede for flere Aar siden have bygget Centralstationer. Spørgsmaalet er vanskelig at afgøre i sin Almindelighed, og det vil her føre for vidt at komme ind paa Fordelene og Manglerne ved de 2 Systemer, kun skal bemærkes, at de nu eksisterende Stationer med ens rettede og lavt spændte Strømme synes at arbejde sikrere end Stationer baserede paa Vekselstrømme, og det overvejende Antal af de større Stationer, som ere anlagte i de senere Aar anvende ens rettede og lavt spændte Strømme. Om man i Fremtiden vil benytte „Drehstrom“ Systemet eller muligt et andet, er vanskeligt at sige, men en Forandring af ens rettede Strømme til Drehstrom er ikke forbunden med store Vanskeligheder og i hvert Tilfælde ikke besværligere end de Forandringer, som Udviklingen i enhver Industri fører med sig.

[Den tekniske Forenings Tidskrift, 16de Aargang, 1892-1893: Københavns elektriske Centralstation]

• Centralstationer for Elektrisk Lys, 1889
• Ib Windfeld-Hansen, gravsted
• 40 Aar i Københavns Elektricitetsværkers Tjeneste, 1933
• Vekselstrøm i København
• Københavns Elektricitetsværker 1892-1942
• K. Prytz: Elektriciteten

• History Of Power Frequency [electrical-science.blogspot.com]