原題は『Electric Transmission of Water Power』で、著者は Alton D. Adams です。
水力発電所から大消費地までの「送電」の課題を、20世紀初頭の米国の電力会社はどのようにして解決していたのでしょうか。
例によって、プロジェクト・グーテンベルグさま、ＩＴに詳しい御方はじめ、各位に深謝もうしあげます。
図版類は省略しました。
以下、本篇です。（ノーチェックです）
タイトル：水力の電気伝送
著者：アルトン・D・アダムズ
公開日：2015年2月1日 [電子書籍 #48134]
最近の更新：2024年10月24日
言語：英語
クレジット：クリス・カーノウ、ロバート・モース、ハリー・ラメ、および のオンライン分散校正チームによって制作
（このファイルは、インターネット・アーカイブから提供された画像から制作されました）
*** プロジェクト・グーテンベルクの電子書籍「水力の電気伝送」の開始 ***
転写者の注記
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追加の転写者の注記はこのテキストの末尾にあります。
マグロウヒル・ブック・カンパニー発行
ニューヨーク
マグロウ出版会社の書籍部門の後継者
ヒル出版会社
書籍の出版者
エレクトリカル・ワールド エンジニアリング・アンド・マイニング・ジャーナル
エンジニアリング・レコード パワー・アンド・ジ・エンジニア
エレクトリック・レールウェイ・ジャーナル アメリカン・マシニスト
水力の
電気伝送
著
アルトン・D・アダムズ、A.M.
アメリカ電気工学協会会員
ニューヨーク
マグロウヒル・ブック・カンパニー
1906
1906年に著作権所有
マグロウ出版会社
ニューヨーク
目次
章 ページ
I. 水力の電気供給における役割 1
II. 水力の電気供給における有用性 10
III. 電力伝送のための導体のコスト 19
IV. 直流と交流の利点 31
V. 電力伝送の物理的限界 44
VI. 電気発電所のための水力開発 51
VII. 電気水力発電所の位置 64
VIII. 電気水力発電所の設計 83
IX. 電気伝送のための交流発電機 103
X. 伝送システムにおける変圧器 122
XI. スイッチ、ヒューズ、および回路遮断器 135
XII. 伝送電力の調整 155
XIII. 保護線と避雷器 168
XIV. 陸上および水中での電気伝送 187
XV. 線路導体の材料 200
XVI. 伝送線路の電圧と損失 215
XVII. 伝送回路の選択 233
XVIII. 電力伝送のためのポールライン 246
XIX. 電気伝送線路の入り口 261
XX. 絶縁体ピン 270
XXI. 伝送線路のための絶縁体 287
XXII. 伝送線路のための絶縁体ピンの設計 298
XXIII. 鋼鉄塔 306
索引 327
水力の電気伝送。
第1章。
電気供給における水力。
伝送された水力からの電気供給は、現在、北米の50を超える都市で配布されています。これには人口402,000人のメキシコシティ、352,387人のバッファロー、342,782人のサンフランシスコが含まれます。266,826人のモントリオール、そして10万から20万の人口を持つロサンゼルス、セントポール、ミネアポリスです。これらの都市は、北はケベックから南はアンダーソンまで、西はシアトルからメキシコシティまで広がっています。東西では、ポートランド、スプリングフィールド、アルバニー、バッファロー、ハミルトン、トロント、セントポール、ビュート、ソルトレイクシティ、サンフランシスコの連鎖です。これらの都市に到達するために、水力は電気的に伝送され、多くの場合数十マイル、数多くの場合数十マイル、そして1つのケースでは200マイル以上です。東部では、カナダが最長の伝送の場所で、ショーニガンフォールズからモントリオールまで85マイルです。
スピアフォールズからアルバニーまでの電動線は40マイルの長さです。ハミルトンはナイアガラの絶壁上のその地点から37マイルで、そこから電動電力が開発されます。セントポールとその電動水力発電所であるアップルリバー間の伝送線は25マイルの長さです。ミズーリ川のカニオンフェリーの滝は、65マイル離れたビュートの電気エネルギーの源です。ロサンゼルスはサンタアナ川上の83マイル離れた発電所から電気エネルギーを引き出します。コルゲート発電所からユバ川上、サンフランシスコまで、ミッションサンホセ経由で伝送線は220マイルの長さです。エレクトラ発電所からシエラネバダ山脈で、サンフランシスコまでの電動線で154マイルです。
[イラスト: FIG. 1.–スピアフォールズ伝送線。]
これらの伝送は、長距離だけでなく大きな電力も含みます。アンドロスコギン川上の新しい発電所は、メイン州ルイストンで10,000馬力の電気供給を届けるよう設計されています。ハドソン川上のスピアフォールズでは、アルバニーや他の都市にエネルギーを送る電動発電機の容量は32,000馬力です。ナイアガラフォールズの2つの水力発電所から、5,000馬力ずつの21台の電動発電機で合計105,000馬力以上、30,000馬力以上がバッファローだけに定期的に伝送されます。容量の大部分は地元産業に充てられます。セントポールの電気供給は4,000馬力の水力発電所から、ミネアポリスのそれは7,400馬力の容量の類似発電所から引き出されます。ヘレナとビュートの両方に電気エネルギーを供給するミズーリ川上のカニオンフェリー発電所は10,000馬力の容量です。シアトルとタコマの両方はスノクアルミーフォールズの8,000馬力発電所から電気供給を引き出します。サンフランシスコと数多くの小さな場所にエネルギーを開発するコルゲート発電所は、合計15,000馬力の電動発電機の容量です。エネルギーもサンフランシスコや途中の他の都市に伝送されるエレクトラ発電所では、容量は13,330馬力です。ロサンゼルスの電気供給はサンタアナ川上の4,000馬力の発電所から、そしてミルクリーク上の2つの発電所から合計4,600馬力で、合計少なくとも8,600馬力の容量です。半径10マイル以内に散在する5つの水力発電所で合計4,200馬力の容量が、メキシコシティの電気供給の源です。
上記は、数百万の人口に数百千馬力の電力を生成する落下水が電気供給のために数百千馬力を生成するその開発の、より印象的な例の一部です。この大規模な水力の遠方の都市の産業ニーズへの適用は、ほとんど10年ほど前です。10年前、ショーニガンフォールズはカナダの荒野のほとんど聞かれない地点でした。スピアフォールズは単なる景色の興味の場所でした。カニオンフェリーのミズーリはランプを点灯したり、石炭の1ポンドを置き換えたりしていませんでした。シエラネバダ山脈の落下水がサンフランシスコの街路を照らし、電動車を運転するようには思えませんでした。そして、現在水が落ちる絶壁を乾燥させる運命のナイアガラの転用は、まだ始まっていませんでした。町や都市に水力が位置する場合のいくつかの例では、産業の初期から電気供給に適用されています。しかし、主に、水力からの電気エネルギーの供給は、長距離伝送によってのみ可能になりました。水力のための電気伝送の拡張半径は、それらの開発への最大のインセンティブを形成しました。この開発は、電気供給を制限する条件に反応し、その適用の分野を大幅に拡張しました。伝送された水力は、電気サービスの料金を削減しました。これを純料金の数字で証明するのは簡単ではないかもしれませんが、なぜならこれらは一般に公開されていないからです。しかし、結論に達する他の手段があります。
[イラスト: FIG. 2.–スノクアルミーフォールズ伝送線。]
照明の分野では、電力はガスと直接競争し、原動力の分野では石炭と競争します。過去10年間、ガスの価格が大幅に低下し、石炭の価格が（最近のストライキ期間を除いて）確かに上昇していないことはよく知られています。これらの削減にもかかわらず、水力からの電気供給は多くの場合ガスと石炭の両方を置き換えました。
さらに、電動水力システムの拡大は、一般に蒸気駆動発電所のそれよりもかなり大きくなりました。この事実の例は、メイン州ポートランドで見られます。1899年の春、約13マイル離れた水力からその都市で電気エネルギーを伝送・配布する会社が設立されました。その日付の前後数年間、ポートランドには蒸気動力設備の広範な電動システムが存在していました。これにもかかわらず、1903年1月1日、水力を使用するシステムは、352個の密閉アークと20,000個の白熱灯の接続負荷、ならびに835馬力のモーターを持っていました。
蒸気で運転されるものと電動水力システムの拡大を比較すると、ハートフォードとスプリングフィールドを一方に、フォールリバーとニューベッドフォードを他方に取ることができます。ハートフォードでの水力の電気供給の使用は1891年11月に始まり、それ以来増加して続いています。同じ期間、フォールリバーの電気供給は蒸気から独占的に得られています。1890年のハートフォードの人口は53,230人で、1900年には79,850人、50パーセントの増加です。10年の初めにフォールリバーは74,398人の人口で、終わりには104,863人、40.9パーセントの上昇です。1892年のフォールリバーの電動供給システムの接続負荷には451個のアークと7,800個の白熱灯、ならびに140馬力のモーターが含まれていました。1901年までにこの負荷は1,111個のアーク、24,254個の白熱灯、600馬力のモーターに増加しました。1892年のハートフォードの電動供給システムは800個のアーク、2,000個の白熱灯、そしてモーターなしを供給していました。伝送された水力の使用の9年後、1901年のハートフォードシステムの接続負荷は1,679個のアーク、68,725個の白熱灯、3,476馬力のモーター容量を含むようになりました。10年の初めにハートフォードは白熱灯とモーターの両方でフォールリバーよりはるかに遅れていましたが、終わりにはハートフォードは白熱灯のほぼ3倍、接続モーターの容量のほぼ6倍でした。1900年のフォールリバーの人口がハートフォードの人口より31パーセント大きかったこと、そして10年間の増加パーセントが前者の都市でわずか9.1低いだけだったことを考えると、水力は後者の電動負荷の上昇の最も強力な要因のように見えます。ハートフォードでの電動の増加はガスの競争の不在によるものではなかったでしょう、なぜなら1901年のガスの価格は1,000立方フィートあたり1ドルで、フォールリバーの同量で1.10ドルだったからです。
スプリングフィールドでの水力の電気供給の使用は1897年の後半に始まりました。その年、スプリングフィールドの電動システムの接続負荷には1,006個のアーク、24,778個の白熱灯、647馬力のモーターが含まれていました。5年後の1902年には、この接続負荷は1,399個のアークランプ、45,735個の白熱灯、電動モーターの1,025馬力の容量に上昇しました。ニューベッドフォードでは、1897年に電動システムは406個のアークと22,122個の白熱灯、ならびに298馬力の定格モーターを供給していました。この負荷は、1902年に488個のアーク、18,055個の白熱灯、電動モーターの容量で432馬力に変わりました。上記の数字から、ニューベッドフォードで82個のアークランプが追加された一方、スプリングフィールドでは393個のそのようなランプが追加されたことがわかります。ニューベッドフォードの電動負荷がモーターの134馬力増加した一方、スプリングフィールドの類似増加は378馬力で、前者の都市が白熱灯の負荷から4,067個を失った一方、後者は20,957個のこれらのランプを獲得しました。これらの変化のすべてを通じて、スプリングフィールドの電気供給は主に水力から来ており、ニューベッドフォードのそれは蒸気の産物でした。スプリングフィールドの人口は1890年に44,179人で、1900年に62,059人、40.5パーセントの増加です。これらの年の早い方でニューベッドフォードは40,733人の人口で、後で62,442人、53.3パーセントの増加です。1902年のスプリングフィールドのガスの平均価格は1,000立方フィートあたり1.04ドルで、ニューベッドフォードでは1.18ドルでした。
スプリングフィールドには繁栄したガスシステムがあり、1902年のガス販売からの総収入は1897年より31パーセント大きくなりました。この同じ5年間、販売された電気エネルギーの総収入は、水力で大部分開発され、47パーセント増加しました。一般的な不況の5年間、1897年に終わるスプリングフィールドのガス販売の総年収はわずか5パーセント上昇し、類似の電動収入は9パーセント上昇しました。最後に述べた5年間、電気供給システムは石炭で運転されました。
過去10年間の電気供給における水力の適用は、この方向へのはるかに大きな動きの道を準備しました。現在、アルバニー、トロント、シカゴ、デュルース、オレゴン州ポートランド、サンフランシスコ、ロサンゼルス、そして他に名付けられる数十の都市への水力の電動伝送のための作業が、初めてまたはより大きな量で進行中です。
もう10年で、アメリカ大陸の電気供給の大部分が水力から引き出されるでしょう。
水力からの電気供給を持つ都市。
+——————+—————–+————–+———–+
| |水力から都市まで | 水力駆動の | |
| 都市 | のマイル | 発電所の馬力 | 人口 |
+——————+—————–+————–+———–+
|メキシコシティ | 10〜15 | 4,200 | 402,000 |
|バッファロー | 23 | [A]30,000 | 352,387 |
|モントリオール | 85 | — | 266,826 |
|サンフランシスコ | 147 | 13,330 | 342,782 |
|ミネアポリス | 10 | 7,400 | 202,718 |
|セントポール | 25 | 4,000 | 163,065 |
|ロサンゼルス | 83 | 8,600 | 102,479 |
|アルバニー | 40 | 32,000 | 94,151 |
|ポートランド、オレゴン| — | — | 90,426 |
|ハートフォード | 11 | 3,600 | 79,850 |
|スプリングフィールド、マサチューセッツ| 6 | 3,780 | 62,059 |
|マンチェスター、ニューハンプシャー| 13.5 | 5,370 | 59,987 |
|ソルトレイクシティ| 36.5 | 10,000 | 53,531 |
|ポートランド、メイン| 13 | 2,660 | 50,145 |
|シアトル | — | 8,000 | 80,671 |
|ビュート | 65 | 10,000 | 30,470 |
|オークランド | 142 | 15,000 | 66,900 |
|ルイストン、メイン| 3 | 3,000 | 23,761 |
|コンコード、ニューハンプシャー| 4 | 1,000 | 19,632 |
|ヘレナ、モンタナ | 20 | — | 10,770 |
|ハミルトン、オンタリオ| 35 | 8,000 | |
|ケベック | 7 | 3,000 | |
|デールズ、オレゴン| 27 | 1,330 | |
+——————+—————–+————–+———–+
[A] 受電電力。
上記では、各水力から供給される最大の都市のみが名付けられています。
したがって、同じ伝送システムはアルバニー、トロイ、スケネクタディ、サラトガ、そして数多くの小さな場所に入ります。
第II章。
電気供給における水力の有用性。
比較的少ないシステムでは、利用可能な水力が1日のすべての時間帯および1年のすべての月を通じて全負荷を担うのに十分であるため、どれだけの燃料を節約できるかという問題は、多くの発電所にとって不確実なものです。また、水力の開発はしばしば多額の投資を伴い、節約された燃料の価値を上回る固定費の負担を生む可能性があります。
これらの相反する意見や要因にもかかわらず、電気システムにおける水力の適用はこれまで以上に急速に進んでいます。水の利用可能な流量によって測定される燃料の節約が、その唯一の利点である場合、この電力が利益をもたらして利用できるケースの数は比較的少ないでしょう。一方、川を下るすべての水を電気仕事に活用でき、この水の利用が石炭費の削減とほぼ同等またはそれ以上に大きな他の利点を持つ場合、多くの水力は開発を待つだけで所有者に利益をもたらすでしょう。
この問題のどの部分も、水力の開発に関連する初回コストとその後の固定費ほど不確実なものはありません。実際の状況を明らかにするために、1つまたは複数の発電所の詳細な事実が、広範なケースをカバーする単なる一般的な声明よりも価値があるかもしれません。
ある小さな川で、14フィートの落差を利用できる地点のすべての水利権が数年前に取得されました。この地点では、頑丈な石とコンクリートのダムが建設され、石とレンガの水力発電所もコンクリート床と鋼トラス屋根で建てられました。この発電所には、合計800キロワットの電動発電機が設置され、水平タービンホイールに直接接続されています。水力水利権を確保するために必要な不動産の総コストとすべての改良のコストは約130,000ドルでした。異常な低水位の時期を除いて、800キロワットの発電機をフル負荷で駆動するのに十分以上の水力が利用可能であると推定されました。この発電所では、水力サイトの投資、開発、および完全な設備は、設置された発電機容量のキロワットあたり162ドルでした。
低水位の65日を考慮すると、これらの800キロワット容量の発電機は年間300日稼働可能です。稼働時間が1日平均10時間でフル負荷の場合、年間に供給されるエネルギーは2,400,000キロワット時です。総投資の10パーセントは利子と減価償却費をカバーするのに十分で、これは年間13,000ドルに相当します。これにより、この発電所での仮定されたエネルギー出力に対する初回投資の利子と減価償却の項目は、キロワット時あたり0.54セントの料金を表します。このエネルギーは数マイル伝送され、大都市の電気供給システムで使用されます。
別の川では、岩の棚の間で20フィート以上の落差が得られ、2,000馬力以上が開発できる地点のすべての水利権が約4年前に確保されました。この地点では、石造りのダムとレンガの発電所が建設され、水平タービンホイールが設置され、合計1,500キロワットの電動発電機に直接接続されました。この場合、不動産、水権、ダム、建物、および設備の総コストは約250,000ドルでした。
前述のように、発電機が年間300日、1日10時間フル容量で稼働可能と仮定すると、この発電所が供給するエネルギーは年間4,500,000キロワット時です。この場合、総投資に対する利子と減価償却の10パーセントの許容額は年間25,000ドルで、予想される出力のキロワット時あたり0.56セントです。この発電所からのエネルギーは伝送され、大規模な電気供給システムで使用されます。
水の不足や、水やエネルギーを必要でないときに貯蔵できない場合により、発電機が上記の仮定された平均時間でフル容量で稼働できない場合、供給されたエネルギーの単位あたりの利子と減価償却の項目は計算されたものより高くなります。この項目の可能な数字がキロワット時あたり0.6セント未満であるため、禁止的になる前にいくらかの増加の余地があります。最後に述べた発電所では、総投資は接続された発電機容量のキロワットあたり166ドルで、前者のケースの162ドルと比較され、これらの数字は有利な条件下で小さな川での一流の方法での水力開発の代表的なものとして取ることができます。両方の事例で発電所はダムにかなり近いです。長い運河やパイプラインを建設して水を運ぶ必要がある場合、開発の費用は大幅に増加する可能性があります。
水力の蒸気力に対する1つの利点は、与えられた容量の発電所の建物が前者の方が小さいコストであることです。水車で駆動される直接接続電動発電機のための建物は、比較的小さく単純です。燃料、ボイラー、エコノマイザー、給水ヒーター、凝縮器、蒸気配管、およびポンプのためのスペースは、水力が使用される場合に必要ありません。機械ドラフトのための煙突や装置は必要ありません。
水力で運転されるモデル電動発電所は、通常、地下室のない単一の部屋で構成されます。そのような発電所の一つは床寸法27 x 52フィートで、面積1,404平方フィートで、800キロワットの容量の発電機を含みます。これにより発電機のキロワットあたり1.75平方フィートの床スペースが得られます。この発電所には、機械の設置や撤去を含むすべての目的のための十分なスペースがあります。
燃料の節約に次いで、水力の最大の利点は、使用される発電所での労働力の要件が比較的小さいことです。これは実際の例でよく示されます。大都市の電気供給に貢献する現代の水力発電所では、発電機容量は1,200キロワットです。この発電所のほぼ24時間1日の運転に関連するすべての労働は、交代シフトで働く2人の係員によって行われます。
これらの係員は電動会社の所有する家に発電所の近くに住み、家賃に加えて月額60ドルずつ受け取ります。場所を考慮すると、家賃の許容額は月額12ドルで十分でしょう。これにより、この発電所での労働力の運用総費用は月額132ドル、または年間1,584ドルになり、これは発電機容量のキロワットあたり年間1.32ドルに相当します。
上記の容量程度の蒸気発電所で、24時間毎日稼働する場合、発電機のキロワットあたり労働力の年間コストは約6ドルです。これにより、水力発電所は容量の単位あたり蒸気発電所で必要な労働費用の4分の1未満で稼働可能であることがわかります。平均的に、蒸気力で駆動される電動発電所の燃料と労働の組み合わせコストは、総運用コストの76パーセント少し超えます。この総額のうち、労働は約28パーセント、燃料は約48パーセントを表します。水力は燃料を排除し、労働費の4分の3を排除することで、電動発電所の運用費用を完全に69パーセント削減します。
しかし、この電動発電所の運用費用の大きな節約は、水が石炭を完全に置き換える場合にのみ可能です。一部水力と一部石炭が使用される場合、結果はそれぞれの割合に依存し、水力容量の変動によって明らかに大きく影響されます。そのような混合システムでは、水力によって達成される節約はまた、1日のすべての時間でそのエネルギーを吸収できる程度に依存します。水力を使用する電動発電所の大部分は、1年のいくつかの月または1日のいくつかの時間、または両方で蒸気も使用せざるを得ません。
[イラスト: 水力電動発電所からのエネルギー曲線。
FIG. 3.]
したがって、3つの質問に対する答えを可能な限り決定することが非常に重要です：
第一に、1年のいくつかの月における水力の容量にどのような変動が予想されるか？
第二に、1日の水の流量が1日の電気エネルギーの出力に等しい場合、水力はどの程度そのエネルギーの開発に充てられるか？
第三に、中程度の高水位の時期にすべての電気負荷を担うのに十分な水力で、一般供給システムの年間エネルギー出力の何パーセントを水から得られるか？
これらの質問の最初のものに対する答えは、経験だけが提供できます。1年の異なる月における川の放流量の変動は非常に大きいです。優れた工学技術でレイアウトされた発電所では、水の貯蔵のための何らかの備えがなされ、発電設備の容量は最高と最低の放流率の間の何らかの点に対応します。
反対側のページの図の曲線No.1は、1901年の12ヶ月間、小さな川から完全に水力で駆動される電動発電所のエネルギー出力を表します。この川の全流量が利用されています。1901年12月のこの発電所の出力は527,700キロワットで、1年の他のどの月よりも大きかったです。この出力を100パーセントとして、曲線は他の各月の供給エネルギーが達成したパーセントを示すためにプロットされています。曲線の最低点、2月に対応する出力は12月のわずか33パーセント少し超でした。1年の他の9ヶ月では、12月のエネルギー出力に対する割合は60を超え、3ヶ月では80パーセントを超えました。12ヶ月で月平均のエネルギー供給は12月の73.7パーセントでした。
1901年の異なる月における供給エネルギーのパーセント。
1月 68.0
2月 33.1
3月 80.5
4月 81.7
5月 77.9
6月 58.6
7月 67.7
8月 75.8
9月 79.3
10月 65.9
11月 95.8
12月 100.0
もう少し小さな水力発電所で、ちょうど考えられた川よりも傾斜の少ない流域を持つ別の川で、1900年6月30日終了の12ヶ月間に以下の結果が得られました。この発電所では、最大の月間エネルギー出力は11月で、これを100パーセントとします。最小のエネルギー供給は10月で、パーセントは11月の量の53.1でした。1年の他の7ヶ月それぞれでエネルギー出力は11月の80パーセント以上でした。3月、4月、5月、6月では、水力は接続された電気供給システムで必要なすべてのエネルギーを供給し、必要ならもっと仕事ができたでしょう。12ヶ月で月平均のエネルギー供給は最大出力の月の11月の80.6パーセントでした。
1899年と1900年の異なる月における供給エネルギーのパーセント。
7月 68.6
8月 69.1
9月 73.3
10月 53.1
11月 100.0
12月 87.0
1月 84.9
2月 91.3
3月 98.5
4月 85.7
5月 80.8
6月 74.9
この第2の川のより緩やかな傾斜とより良い貯蔵施設は、最大だった月の出力に対する平均月間エネルギー供給が、水力で最初に考えられたものより6.9パーセント高い効果を示します。これらの2つの水力は、関連する川の非常に穏やかな貯蔵容量だけで何ができるかを示します。両方の発電所で、多くの水が各年の数ヶ月間にダムの上を逃げます。これらの川のすべての水を必要になるまで保持するのに十分な貯蔵スペースがあれば、エネルギー出力は大幅に増加するでしょう。
曲線No.2の検査でわかるように、第2の水力は曲線No.1で示された水力よりも容量の変動が小さく、最大出力の平均パーセントが高いです。
1日の各24時間における川の放流量がその時間に供給システムで必要な電気エネルギーを開発するのにちょうど十分である場合、水は2つの方法のうちの1つですべての電気仕事をさせることができます。水力が1日のいくつかの時間に余剰の水を保持するのに十分な貯蔵容量を持つ場合、最大負荷を担うのに十分な水車と電動発電機を設置するだけで十分です。水の貯蔵容量が不足するか、発電装置の設備が電気システムによって要求される最大レートで働くのに不十分である場合、すべての水を利用し、電気仕事をさせるためには電動蓄電池を使用する必要があります。
電動照明発電所での最大と最小の日負荷間の最大の変動は通常12月と1月に発生します。これらの変動の程度は、曲線No.3で示され、これは1901年1月の典型的な平日における大規模な電気供給システムの総負荷を表します。この日、最大負荷は2,720キロワット、最小負荷は612キロワット、または最高出力の22.5パーセントでした。問題の日、24時間の総エネルギー供給は30,249キロワット時で、時間あたりの平均負荷は1,260キロワットでした。この平均は最大負荷の46パーセントです。
曲線No.3に含まれる面積の計算で、1日の総エネルギー出力の約17.8パーセントが平均負荷線1,260キロワットの上に供給されたことがわかります。つまり、平均負荷での出力に加えてです。この平均負荷線の上へのエネルギー供給は1日の12.3時間に行われ、時間あたりの平均供給レートは438キロワットでした。
1日24時間1,260キロワットの負荷を担うのに十分な水力が曲線No.3で示されたシステムに適用される場合、1日の水のエネルギーの約17.8パーセントは11.7時間に貯蔵され、残りの12.3時間に解放されなければなりません。この総日エネルギー水のパーセントは、貯蔵が行われる時間中のエネルギーの36パーセントに相当します。
すべての貯蔵が水で行われる場合、電動発電機は最大負荷の2,720キロワットで働くことができなければなりません。すべての貯蔵が電動電池で行われる場合、水の使用は1日中均一で、発電機容量は電池の損失を補うために1,260キロワット以上に十分でなければなりません。電池が使用される場合、電池の損失のため、水の量は発電機で負荷を直接運転するのに必要なものよりやや多くなります。
各24時間を通じた電気負荷の大きな変動にもかかわらず、平均負荷の要件を少し上回る水力でそれらを運転するのは比較的簡単です。
おそらく電気供給における水力の使用に関する最も重要な質問は、この電力が1年のうち一部で全負荷を担うのに十分である場合、年間エネルギー出力の何パーセントを水から得られるかということです。任意の季節の余剰水のための貯蔵エリアがあれば、川によってできる仕事の量は、その年間放流水の記録から直接計算できるかもしれません。そのような余剰水のための貯蔵エリアが電気システムに関連してほとんどまたは決して利用可能になっていないため、水力から得られる年間出力のパーセントに関する最良の保証は、既存の発電所の経験で見つかります。
今考慮される質問は、水力のいくつかの月における変動を伴うもの、または水力からの可能な年間出力さえも含むものとは本質的に異なります。水力からの出力と電気システムの総年間出力の比率は、各24時間の負荷変動の結果と異なる月における電気エネルギーの変動需要、ならびに季節を通じた水力利用可能量の変化を含みます。
これらの3つの重要な要因の組み合わせ結果を示すために、曲線No.4が構築されました。これは、2つの供給システムで水力から得られた電気エネルギーの総半年度出力のパーセントを示します。各半年は1月から6月まで、または7月から12月までを含み、湿季と乾季をカバーします。各半年はまた、照明のための電気エネルギーの最大と最小の需要の期間を含みます。最大の水供給の期間は通常、最重の照明負荷のそれとほぼ一致しますが、これは常に真実ではありません。
水力が各半年の少なくとも1ヶ月で電気負荷のほぼまたは完全に十分である電気システムが意図的に選択されました。水力からのエネルギーとシステムによって供給された総エネルギーのパーセントは、5つの半年のそれぞれで提示されます。3つの半年はそれぞれ7月から12月まで、2つはそれぞれ1月から6月までです。水力からのエネルギーの関係で66.8、80.2、および95.6のパーセントを示す半年は1つのシステムに関連し、水力からのエネルギーの81.97と94.3のパーセントを示す半年は別のシステムに関連します。
電気システムの出力の66.8パーセントが水力から得られた半年では、システムの総出力は3,966,026キロワット時でした。この半年の12月では、システムによって供給された電気エネルギーの98パーセント以上が水力からでしたが、6ヶ月の平均は水力からの66.8パーセントだけでした。
次の6ヶ月、1月から6月では、電気供給システムは4,161,754キロワット時を供給し、この量の水力が80.2パーセントを供給しました。ちょうど述べられた6ヶ月では、1ヶ月、5月で供給されたすべてのエネルギーの99パーセントが水力から得られました。
同じシステムは、次の半年、7月から12月、水力開発や設備の追加なしで、総エネルギー出力の95.6パーセントを水力から得、この出力は4,415,945キロワット時に相当しました。ちょうど述べられた半年の1ヶ月では、出力のわずか0.2パーセントが蒸気力で生成されました。
これらの3つの連続した半年は、単一の電気供給システムでの水力出力とエネルギー需要の比率の変動を示します。7月から12月の半年における水力から得られたエネルギーの81.9パーセントは、1ヶ月で水が供給されたすべてのエネルギーの94パーセントを生成した電気供給システムの総量に対する水からの出力の比率を表します。
同じシステムで、次の6ヶ月、正確に同じ水力設備で、水力からの出力のパーセントはシステムによって供給された総キロワット時の94.3でした。この結果は、2つの半年でのシステムの総出力が1パーセント未満で等しいという事実にもかかわらず達成されました。
これらの5つの半年の記録からの教訓は、異なる半年での電気供給システムの総出力に対する水力によって開発されたエネルギーのパーセントに比較的大きな変動が予想されるということです。しかし、これらの変動にもかかわらず、水力によって担われる電気負荷の部分は、都市や町での照明と電力への急速に拡大する適用を正当化するのに十分です。
第III章。
電力伝送のための導体のコスト。
エネルギーの電気伝送は、その開発とは全く異なる問題を含みます。大きな水力、または燃料が安い場所は、電気エネルギーを異常な低コストで生成する機会を提供するかもしれません。このエネルギーは、その開発の地点に非常に近いところで使用され、伝送のコストが別途考慮するには小さすぎるかもしれません。
伝送の重要な問題が存在しない条件の例は、ナイアガラの大規模な水力発電所周辺に集まった多数の工場で、それから電気エネルギーを引き出しているものです。そのような場合、エネルギーは水力で駆動されるダイナモから、変圧器を介して消費者のランプ、モーター、化学槽、および電動ヒーターに直接流れます。ここでは、伝送または配布設備のコストと損失は、エネルギーの開発と比較して小さな事項です。
水力からのエネルギーが多くのマイルの距離に伝送される場合、新しい一連のコストに直面します。まず、伝送線のための導体の重量とコストを節約するために、伝送されたエネルギーの電圧をダイナモの圧力よりはるかに上げることが必要です。この電圧の増加は、線にエネルギーを供給する変圧器を必要とし、その容量はエネルギーが線に供給される最大レートに等しいです。これらの変圧器は、熱を形成するためのエネルギーの一部の吸収と、それらに支払われた価格に対する年間利子、メンテナンス、および減価償却費の合計によって、それらが供給するエネルギーのコストを追加します。伝送線に供給された投資額に対する年間利子、メンテナンス、および減価償却費をカバーし、線で熱に変わったエネルギーを支払うための他の追加が、伝送線によって供給されたエネルギーのコストに追加されなければなりません。
エネルギーが使用される地点の近くで、伝送線は局所配布のための安全な数字に電圧を下げるための変圧器で終わる必要があります。この第2の変圧器セットは、前者のセットと同じ方法で供給されたエネルギーのコストをさらに追加します。
これらの事実から、電気伝送を正当化するためには、配布の地点でのエネルギーの価値が少なくとも生成発電所での価値プラス伝送のコストに等しいべきであることが明らかです。伝送線の1つの端でのエネルギーのコストと他端でのその価値を知り、これらの2つの差は伝送が支払う最大コストを表します。
電力伝送のコストに関連する3つの主な要因は、変圧器、ポール線、およびワイヤーまたは導体です。これらの要因は、各ケースの状況に応じて供給されたエネルギーのコストに非常に異なる程度で入ります。エネルギー伝送の最大と平均レート、総電圧、線損失のパーセント、および線の長さは、主に供給されたエネルギーの総コストにおける変圧器、ポール線、および導体の相対的重要性 を決定します。
変圧器の初回コストは伝送の最大レートに直接変化し、電圧、伝送の長さ、および線損失のパーセントとはほぼ独立です。ポール線は伝送の長さで初回コストが変わりますが、他の要因とはほぼ独立です。固定された最大損失のパーセントのための線導体は、初回コストが伝送の長さの2乗と伝送のレートに直接変化しますが、それらの初回コストは線損失のパーセントが増加するにつれて減少し、伝送電圧の2乗が増加するにつれて減少します。
与えられた量の電力が、線での一定のパーセントの損失と固定電圧で、それぞれ50、100、および200マイルの距離に伝送される場合、前述の原則は以下の結論に至ります：変圧器の容量は伝送のレートによって固定され、どちらの距離でも同じで、それらのコストはしたがって一定です。変圧器の損失、利子、減価償却、および修理も一定です。ポール線のコストは、その長さに依存し、100マイルで2倍、200マイルで50マイルの4倍です。利子、減価償却、および修理もポール線の長さに直接上昇します。
線導体は50マイルの伝送のための50マイルの4倍のコストで、重量が4倍になるため、年間利子と減価償却は同じレートで上昇します。200マイルの伝送のための線導体のコストと重量は50マイルのコストの16倍です。したがって、電圧と線損失が一定の場合、利子、減価償却、およびメンテナンスは200マイルの伝送で50マイルの16倍に増加します。
与えられた距離にわたる電力伝送のコストの具体的な例は、これらの原則の実用的適用を示します。問題は、生成発電所から100マイル離れた都市に電気エネルギーを供給することとします。おおよそ伝送の最大レートに対応する容量の2倍の変圧器を提供しなければなりません、なぜなら1セットが生成で、もう1セットが供給発電所で必要だからです。これらの変圧器のコストは、大容量の場合馬力あたり約7.50ドルです。
信頼性は大規模な電力伝送で最も重要で、これは最も頑丈な構造のポール線を必要とします。そのような線は、木製ポールの適度な価格で入手可能な場所で、導体が位置にあり、導体自体のコストや通行権のコストを除いて、1マイルあたり約700ドルです。この場合の100マイルのポール線は、したがって70,000ドルのコストで設定されるべきです。
そのような長く高価な線の建設を正当化するために大きな電力供給が行われなければならず、10,000馬力が最大供給レートとして取られるかもしれません。伝送の最大レートの馬力あたり変圧器容量の2馬力の基準で、20,000馬力の容量の変圧器がこの伝送に必要です。馬力容量あたり7.50ドルで、これらの変圧器の初回コストは150,000ドルです。
線導体の重量とコストを決定する前に、伝送が行われる電圧と最大負荷の時期の導体でのエネルギーの損失のパーセントを決定しなければなりません。使用される電圧は、主に経験に基づく工学判断の問題で、計算で決定できません。100マイルの伝送では導体のコストが非常に重い項目であるため、このコストは電圧の2乗が増加するにつれて減少するため、信頼できるサービスの要件が許す限り電圧を高く押し進めることが望ましいです。
山からカリフォルニア州オークランドまでの142マイルの伝送線は、40,000ボルトの圧力で数年間継続的に成功裏に使用されています。この線は湿った気候と乾いた気候を通ります。したがって、ほとんどの場所で40,000ボルトを良い結果で使用できると結論づけるのが安全そうです。
電力の量と伝送の電圧と長さを決定した後、必要な導体の重量は線で熱として失われるエネルギーのパーセントに反比例します。最良の損失のパーセントは、多くの要因の数に依存し、その一部、生成発電所でのエネルギーのコストなどは各ケースに特有です。
他の場所の慣行に基づく暫定的な数字として、ここで考慮される線での損失は、フル負荷の10,000馬力を伝送する場合の10パーセントとして取られるかもしれません。この基準で線が建設される場合、損失のパーセントは任意の小さい負荷で比例して少なくなります。したがって、線が5,000馬力だけ伝送する場合、損失は5パーセントになります。各日の大部分の時間で電力の需要は最大数字より少ないことが確実なので、最大損失の10パーセントは、線に供給されたすべての電力の平均損失が7パーセント未満に相当します。
受信発電所の変圧器によって10,000馬力を供給するためには、圧力が40,000ボルトの生成発電所から100マイル離れたところで、導体でのエネルギーの損失が線に供給されたエネルギーの10パーセントの場合、銅導体の重量は約1,500,000ポンドでなければなりません。これらの導体を中程度の価格のポンドあたり15セントとして取ると、それらのコストは225,000ドルに相当します。
変圧器、ポール線、および線導体の組み合わせコストは、現在推定されるように445,000ドルです。ポール線の通行権は考慮されていません、なぜなら多くの場合これが何もコストがかからず、公道が目的で使用されるからです。他の場合では、コストは現地条件で大きく変わるかもしれません。
伝送の効率は、局所配布のための受信発電所での変圧器によって供給されたエネルギーと伝送のための線にエネルギーを供給する変圧器に生成発電所によって供給されたエネルギーの比率で測定されます。ここで考慮される大規模な変圧器はフル容量で働くと効率がほぼ98パーセントですが、それらは部分負荷でいくらか働かなければならないので、実際の効率は96パーセントを超えないでしょう。
部分負荷で線導体の効率が上昇し、伝送されたすべてのエネルギーで93パーセントと安全に取ることができ、最大負荷で90パーセントだけです。2つの変圧器セットと線の組み合わせ効率は伝送の効率を与え、0.96 × 0.93 × 0.96の積に等しく、ほぼ正確に85.7パーセントです。つまり、水力発電所の変圧器は、受信発電所の変圧器が使用場所の配布線に供給する馬力時ごとに1.17馬力時を吸収します。
この完全な伝送システムの利子、メンテナンス、および減価償却は、その総初回コストの15パーセントの年額で十分に提供されます。伝送システムの総初回コストが445,000ドルであるため、この額の15パーセントでの利子、減価償却、および修理の年間費用は66,750ドルです。
この伝送システムの運用総コストの影響を電力伝送のコストで見つけるために、年間伝送されたエネルギーの総量を決定しなければなりません。システムによって供給された10,000馬力は単にエネルギーが供給される最大レートで、伝送されたエネルギーの量を計算するために時間の要素を導入しなければなりません。システムがフル容量で1日24時間働ける場合、供給されたエネルギーは容量と年間総時間数の数字の積で表されます。
残念ながら、しかし、電灯と電力の需要は各24時間の過程で広い範囲で変化し、最大需要の期間は各日の小さな部分にしか及びません。問題は、したがって、この最大負荷を担うのに必要な容量に対するこの平均負荷が担う24時間中の平均負荷がこの容量に対する関係が何かを発見することです。この質問に対する答えは、さまざまなクラスの消費者の電力要件に依存するため、経験によってのみ得られます。ランプと固定モーターの混合負荷で毎日24時間働くいくつかの電動発電所は、必要な最大容量が年間約3,000時間この量を担うのに必要な容量で表される量のエネルギーを供給できることがわかっています。このルールをこのケースに適用すると、消費者の最重の需要によって最大容量の10,000馬力に負荷される変圧器は、年間3,000 × 10,000 = 30,000,000馬力時を供給すると予想されます。
この伝送システムの運用総コストは上記で年間66,750ドルで、生成発電所でのエネルギーのコストを除きます。この額を30,000,000で割ると、エネルギーの初回コストを除く馬力時あたり0.222セントのエネルギー伝送のコストが示されます。伝送の総コストを得るために、ちょうど与えられた数字は変圧器と線導体で失われたエネルギーの価値によって増加されなければなりません。この価値を見つけるために、生成発電所でのエネルギーのコストを知らなければなりません。
水力発電所のスイッチボードでの電気エネルギーのコストは、開発された電力の単位あたりの水力工事に必要な異なる投資のため、広い変動を受けやすいです。ここで考慮されるような大規模な電力では、いくつかの発電所で馬力時の電気エネルギーが0.5セント未満で開発されるかもしれません。この伝送の平均効率が発電機によって供給されたエネルギーの85.7パーセントであるため、配布のための副発電所の変圧器によって供給される馬力時ごとに発電機から1.17馬力時を引き出さなければならないことが明らかです。つまり、供給された馬力時ごとに0.17馬力時が無駄になります。
0.17馬力時のコスト、または0.5 × 0.17 = 0.085セントを超えないと言い、これをすでに発見された伝送コストの項目、つまり馬力時あたり0.222セントに追加して、伝送の総コストを得なければなりません。これらの2つのコスト項目の合計は、総伝送費用として馬力時あたり0.307セントです。
ちょうど発見された伝送のコストが距離が延長された場合にどのように増加するかを尋ねるかもしれません。例として、伝送の長さを100マイルの代わりに150マイルと仮定します。副発電所によって供給されたエネルギーの量、線導体の損失、および生成発電所から引き出されたエネルギーを以前と同じにします。明らかにポール線のコストは50パーセント増加し、つまり70,000ドルから105,000ドルです。同じ容量を持つ変圧器は、150,000ドルの以前の推定から変わりません。伝送の電圧が一定のままで、最大負荷の線損失も同じ場合、銅導体の重量とコストは伝送の距離の2乗で増加します。150マイルでは銅の重量は50マイルの伝送のための2.25倍です。
導体の重量の増加の代わりに、より高い電圧を採用するかもしれません。カリフォルニア州のシエラネバダ山脈からサンフランシスコ湾までの約150マイルにわたる2つの大規模な伝送システムのための変圧器は、希望に応じて40,000または60,000ボルトで線にエネルギーを供給するよう設計されています。最初は低い圧力での定期運転でしたが、電圧は60,000に上げられました。
これらのカリフォルニアシステムが横断するサクラメントとサンホアキン川の下流域、およびサンフランシスコ湾の岸は、アメリカ合衆国とカナダの大部分と同じくらいの年間降水量と湿った大気を持っています。したがって、他所で60,000ボルトを使用するのを防ぐ良い理由はないようです。
与えられたレートでエネルギーを伝送する距離、固定された損失のパーセントと銅の一定重量で、採用された電圧に直接上昇します。このルールは、与えられたレートでエネルギーを伝送するための導体の重量が一定のパーセントの損失と一定電圧で距離の2乗で増加する一方、他のすべての要因が一定の場合、導体の重量は電圧の2乗で減少するためです。
これらの原則を150マイルの伝送に適用すると、電圧を60,000に増加させることで導体の重量が50マイルの伝送のためのものと正確に同じままになることが明らかで、2つのケースで働くレートと線損失が等しいです。
60,000ボルトの基準での150マイル伝送の唯一の追加費用項目はポール線の35,000ドルです。以前のように利子、減価償却、およびメンテナンスをカバーするために35,000ドルの15パーセントを許容すると、伝送のコストの年間増加総額は100マイルの伝送で発見されたものより5,250ドルです。この最後の額は供給されたエネルギーの馬力時あたり0.0175セントです。
伝送のコストは、60,000ボルトの150マイルシステムで供給されたエネルギーの馬力時あたり0.307 + 0.0175 = 0.324セントに上昇します。
既存の伝送線は、上記の要因の関係を導体のコストと重量に示すだけでなく、異なるエンジニアの意見に対応する顕著な変動を示します。これらの点を明らかにするために、多くの伝送線のデータがここに提示されます。これらの線では、伝送の距離は5から142マイル、電圧は5,000から50,000、最大作業レートは数百から数千馬力です。各伝送で、導体の単一の長さと総重量、電圧、および線を供給する生成設備の容量が記録されます。これらのデータから、線のマイルあたりのボルト、生成設備のキロワット容量あたりの導体の重量とコスト、および生成設備のキロワットあたりのマイルあたりの導体の重量が計算されます。各ケースで与えられた線の長さは生成から受信発電所までの距離です。各ケースでの生成設備の与えられた容量は、主ダイナモの容量で、それらの総出力が問題の伝送線に行く場合ですが、ダイナモが他の目的にもエネルギーを供給する場合、特定の伝送線だけを供給する変圧器の定格が生成設備の容量として与えられます。
電気伝送の距離と電圧。
+————————————+———–+——–+———+
| |マイルでの | ボルト |マイルあ |
| | 距離 | | たり |
| | | | ボルト |
+————————————+———–+——–+———+
|コルゲートからオークランド、カリフォルニア| 142 | 60,000 | 422 |
|カニオンフェリーからビュート、モンタナ| 65 | 50,000 | 769 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 83 | 33,000 | 397 |
|オグデンからソルトレイクシティ、ユタ| 36.5 | 16,000 | 438 |
|マドリードからブランド、ニューメキシコ| 32 | 20,000 | 625 |
|ウェランド運河からハミルトン、カナダ| { 35 | 22,500 | 643 |
| | { 37 | | |
|サンガブリエルキャニオンからロサンゼルス| 23 | 16,000 | 695 |
|カニオンシティからクリップルクリーク、コロラド| 23.5 | 20,000 | 851 |
|アップルリバーからセントポール、ミネソタ| 25 | 25,000 | 1,000 |
|ヤドキン川からセイレム、ノースカロライナ| 14.5 | 12,000 | 827 |
|ビクター、コロラドへ | 8 | 12,600 | 1,575 |
|モントモレンシーフォールズからケベック| 7 | 5,500 | 785 |
|ファーミントン川からハートフォード | 11 | 10,000 | 909 |
|セウォールズフォールズからコンコードの鉄道工場| 5.5 | 10,000 | 1,818 |
|ウィルブラハムからラドローミルズ | 4.5 | 11,500 | 2,555 |
|デールズ、オレゴンへ | 27 | 22,000 | 814 |
+————————————+———–+——–+———+
ここで考慮される伝送システムは、それぞれについて必要なデータを得ることが可能だったため選択され、それらが現在の慣行を公正に示すと推定されます。すぐに注意されるかもしれませんが、一般的に線電圧は伝送の長さで増加します。したがって、ラドローミルズへの4.5マイルの距離にわたる伝送は11,500ボルトで行われます。一方、カニオンフェリーとビュートの間の65マイルの距離の伝送は50,000ボルトを使用し、最近の慣行を表します。ここで考慮される最長の142マイルのコルゲートからオークランドのシステムは、現在その線に60,000ボルトを持っています。一般的に大きな伝送距離で高圧に頼るにもかかわらず、電圧の上昇は線の長さの増加に追いついていません。ウィルブラハム-ラドローの伝送では総圧力はマイルあたり2,555ボルトで、前者の31.5倍の長さのコルゲートからオークランドの線はマイルあたり平均422ボルトで運転されます。考慮された15の伝送のうち、6つは15マイル未満の距離で、そのうち4つはマイルあたり900以上です。8つの伝送は23から83マイルの長さで、マイルあたり1,000ボルトの25マイルから83マイル線のマイルあたり397だけです。マイルあたりのボルトはラドローで6倍大きく、オークランドの伝送です。
発電所の容量と導体の重量。
+———————————+———–+————+————+
| | 発電機の |導体の総重量|容量のキロ |
| | キロワット| |ワットあたり|
| 伝送の場所 |容量 | |の導体のポン|
| | | |ド |
+———————————+———–+————+————+
|ウィルブラハムからラドロー | 4,600 | 17,820 | 3.7[A] |
|セウォールズフォールズから鉄道工場| 50 | 6,914 | 15 |
|ビクター、コロラドへ | 1,600 | 15,960 | 10 |
|デールズ、オレゴンへ | 1,000 | 33,939 | 34 |
|アップルリバーからセントポール | 3,000 | 159,600 | 53 |
|ファーミントン川からハートフォード| 1,500 | 54,054 | 36 |
|カニオンシティからクリップルクリーク| 1,500 | 59,079 | 39 |
|ヤドキン川からセイレム | 1,500 | 58,073 | 39 |
|モントモレンシーフォールズからケベック| 2,400 | 189,056 | 79 |
|カニオンフェリーからビュート | 5,700 | 658,320 | 115 |
|サンガブリエルキャニオンからロサンゼルス| 1,200 | 73,002 | 61 |
|ウェランド運河からハミルトン | 6,000 | 376,494 | 63 |
|マドリードからブランド、ニューメキシコ| 600 | 127,680 | 212 |
|オグデンからソルトレイクシティ | 2,250 | 292,365 | 129 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 2,250 | 664,830 | 295 |
|コルゲートからオークランド | 11,250 | {906,954 | 81 |
| | | {446,627 | 40[A] |
+———————————+———–+————+————+
[A] アルミニウム。
マイルあたりのボルトのこれらの広い変動と線の長さは、発電機容量のキロワットあたりの導体の異なる重量につながります。他のすべての要因が一定の場合、発電機容量のキロワットあたりの導体の重量は、すべてのケースでマイルあたりのボルトが均一である場合、伝送の長さに関わらず同じです。1つの重要な要因、フル負荷での伝送線のための導体が設計された損失のパーセントは、異なるケースで確実で、発電機容量のキロワットあたりの導体の重量の対応する変動につながります。等しい長さの導体で1ポンドのアルミニウムは2ポンドの銅とほぼ同じ電気抵抗を持ち、銅とアルミニウムの線を比較する場合この比率を考慮しなければなりません。
表から、サンタアナ川からの伝送のための発電機容量のキロワットあたりの導体の重量がビクターのための線のための類似重量の29.5倍であることがわかります。しかし、マイルあたりのボルトはビクターでサンタアナ川線の4倍です。ここに提示されたケースの極端な範囲は、ラドロー発電所で3.7、ならびにサンタアナ川システムで295の発電機容量のキロワットあたりの銅導体の等価物です。マイルあたり1,575から2,555ボルトを使用する3つの伝送は、発電機容量のキロワットあたりそれぞれ7.4から15ポンドの等価物です。
導体の重量とコスト。
+——————————–+———-+———–+
| |キロワット|発電機のキ |
| | マイル |ロワットあ |
| | あたりの| たりのド |
| | ポンド | ル |
+——————————–+———-+———–+
|ウィルブラハムからラドロー | 0.86[A] | 1.11 |
|セウォールズフォールズから鉄道工場| 2.7 | 2.25 |
|ビクター、コロラドへ | 0.9 | 1.50 |
|デールズ、オレゴンへ | 1.2 | 5.10 |
|アップルリバーからセントポール | 2.1 | 7.95 |
|ファーミントン川からハートフォード| 3.2 | 10.80 |
|カニオンシティからクリップルクリーク| 1.6 | 5.85 |
|ヤドキン川からセイレム | 2.6 | 5.85 |
|モントモレンシーフォールズからケベック| 11.2 | 11.85 |
|カニオンフェリーからビュート | 1.7 | 17.25 |
|サンガブリエルキャニオンからロサンゼルス| 2.6 | 9.85 |
|ウェランド運河からハミルトン | 1.7 | 9.45 |
|マドリードからブランド、ニューメキシコ| 6.6 | 31.80 |
|オグデンからソルトレイクシティ | 3.5 | 19.35 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 3.5 | 44.25 |
|コルゲートからオークランド | { .56 | 24.15 |
| | { .27[A] | |
+——————————–+———-+———–+
[A] アルミニウム。
伝送線上のマイルあたりのボルトのこれらの広い変動は、発電機容量のキロワットあたりの導体の重量の変動につながります。フル負荷での損失のパーセントのいくらかの変動を考慮すると、15の発電所は導体の重量に関するマイルあたりの高電圧の利点を明確に示します。この利点は、伝送の長さによる違いを各ケースの発電機容量のキロワットあたりの導体の重量を伝送のマイルの長さで割ることで排除する場合、特に明確です。この除算は線の各マイルの発電機のキロワットあたりの導体の重量を与え、キロワットマイルあたりの重量と呼ばれるかもしれません。ラドロー伝送のためのこの重量はアルミニウムの0.86ポンドだけで、前者の線の銅の1.72ポンドの等価物で、ケベックへの線のための類似物は銅の11.2ポンド、または前者の線の6.5倍です。しかし、ラドローでのマイルあたりの電圧はケベック線の類似電圧の3.2倍です。
ビクター線のキロワットマイルあたりの導体の重量は0.9ポンドだけで、ブランドへのマドリード線の類似物は6.6ポンド、または7.3倍です。ビクター線でのマイルあたりの電圧はブランド線の各マイルの電圧の2.5倍です。
ほぼ等しいマイルあたりの電圧を持つシステムを比較すると、ほとんどの場合、フル負荷でのさまざまな損失のパーセントのための設計によって容易に説明できる違いだけが存在します。ビュートへの伝送線はハミルトンに入るものよりほぼ2倍長いですが、それぞれのキロワットマイルあたりの導体の重量は1.7ポンドです。サンタアナ川からの線はソルトレイクシティに入るものより2倍以上長いですが、そのマイルあたりの電圧は9パーセント少なく、各線にキロワットマイルあたり3.5ポンドの銅があります。
電気伝送での導体に関する最終的で実用的な質問は、最大作業容量のキロワットあたりと供給されたエネルギーのキロワット時あたりのそれらのコストに関連します。導体のコストが残りのすべての設備のそれより発電機容量のキロワットあたり大きい場合、伝送が支払うかどうかは疑わしいです。導体に対する固定費が開発と供給の地点でのエネルギーあたりのコストの差を相殺する以上である場合、発電所は電力が必要な場所に位置するべきであることが確実です。導体の大きなコストは、長距離伝送への最も深刻な障害としてしばしば挙げられ、ここに引用された例はこの議論の重さを示します。ここで考慮される伝送線のそれぞれの発電機容量のキロワットあたりの導体の概算コストを見つけるために、裸銅ワイヤーの価格はポンドあたり15セント、裸アルミニウムワイヤーの価格はポンドあたり30セントとして取られます。各ケースで銅またはアルミニウム導体の発電機容量のキロワットあたりの重量は、ちょうど名付けられた価格でのこの容量のキロワットあたりのそれらのコストを決定するために使用されます。このプロセスを15の伝送線に対して行うと、ラドローへの4.5マイル線のための1.11ドルとサンタアナ川の83マイル線のための44.25ドルの間で発電機容量のキロワットあたりの導体のコストが変わることが示されます。前者のこれらの線はマイルあたり2,555で、後者は397ボルトであることに注意すべきです。マドリードへの線はマイルあたり625ボルトで発電機容量のキロワットあたり導体の投資31.80ドルを示します。長い伝送が発電機容量のキロワットあたりの導体に大きな投資を必要としないことは、65マイルのビュートへの線で示され、そのコストはマイルあたり769ボルトでキロワットあたり17.25ドルです。25マイルのセントポールへの伝送、マイルあたり1,000ボルトでは、導体のコストは発電機容量のキロワットあたり7.95ドルです。ケベックへの7マイル線は発電機容量のキロワットあたり11.85ドルの投資を示します。
第IV章。
直流と交流の利点。
アメリカでの長距離電気伝送は、主に交流で行われています。一方、ヨーロッパでは、高電圧での長距離伝送で直流が広く使用されています。このような実践の根本的な違いは、どちらのシステムも優位点に欠けていないことを示しているようです。
長距離伝送の基本的な特徴は、導体の経済性のために必要な高電圧で、この電圧は直流と交流で全く異なる方法で達成されます。数百キロワット以上の容量のダイナモでは、これまで直流の圧力は整流子での火花やフラッシュの危険のため4,000ボルトを超えていません。高電圧の伝送線で10,000ボルト以上が必要な場合、直流では複数のダイナモを直列に接続して、それぞれの電圧を他のに加えます。この方法で、各ダイナモの電圧は総線電圧を制限せずに望ましいだけ低くできます。直流ダイナモの数を直列に運転できる数やそれによって得られる電圧に明らかな制限はありません。スイスのサン・モーリスからローザンヌへの最近完成した直流伝送では、23,000ボルトの線電圧を確保するために10台のダイナモが直列に接続されています。必要に応じて20台や30台以上のダイナモを直列に運転し、線に50,000や75,000ボルトを与える場合、ちょうど名付けられた伝送のものと同じ機械を使用できます。これらのダイナモをどれだけ直列に運転しても、各ダイナモの巻線絶縁への電気的ストレスは実質的に一定のままです、なぜなら各ダイナモの鉄フレームが地面から最も頑丈な方法で絶縁されているからです。各ダイナモの巻線絶縁への電気的ストレスは、そのダイナモによって生成された電圧に制限されます。各ダイナモのフレームと地面の間に挟む絶縁の厚さや強度に実際的な制限はなく、したがってダイナモ絶縁に関して線電圧に制限はありません。
交流ダイナモを直列に運転してそれらの電圧を加えるのは非現実的で、交流伝送で利用可能な圧力は単一のダイナモのものか、変圧器を使用して得られるものでなければなりません。交流ダイナモの電圧は非常に大容量の直流ダイナモのそれよりはるかに高くでき、多くの場合13,200ボルトの圧力が現在伝送線に交流ダイナモによって供給されています。単一の交流ダイナモの電圧がどれだけ高くされるかは誰にも言えませんが、実際的な制限は現在使用される伝送での電圧よりはるかに低いことが証明されるでしょう。交流ダイナモの電圧が高くなるにつれて、それらの電機子コイルの絶縁の厚さとそれによりそれらの電機子コアのスロットのサイズや数、コアのサイズが急速に増加します。交流ダイナモの容量の単位あたりの寸法と重量はこのように電圧で上昇し、ある未確定の点で高電圧ダイナモのコストは等容量の低電圧ダイナモと昇圧変圧器のそれより大きくなります。変圧器によって供給できる電圧に現在見える実際的な制限はありません。変圧器が40,000から50,000ボルトを供給する線が1年から数年定期運転されており、いくつかの大規模な変圧器が商業使用で60,000ボルトで作られ、他の変圧器が実験とテスト目的で多くの場合100,000ボルト以上の圧力で使用されています。
直流と交流伝送の利用可能な電圧はこのように上限として実質的に同等です。交流または直流伝送システムで生成され供給される電力の量は実質的に無制限です。単一の交流ダイナモは希望なら5,000または8,000キロワットの容量で入手できますが、これらの非常に大きなユニットは発電所の容量が複数の機械に分割されるべきであるため、めったに使用されません。おそらく単一の直流ダイナモを最大の交流発電機の容量に等しい容量で構築するのは非現実的ですが、直流機械の任意の数を直列または並列に運転できるため、伝送回路に適用できる電力は無制限です。
伝送された電力が受信される発電所または発電所では、高線電圧で運転するモーターを直列に接続してそれを扱います。これらのモーターはすべて単一の部屋に位置し、建物の異なる部分の機械に接続され、または数マイル離れた地点で使用されるかもしれません。重要な要件は、モーターが互いに直列であることなので、線電圧がそれらの間で分かれることです。受信される場所で単に機械的な電力が必要な場合、それらは伝送システムを完成し、それ以上の電気装置は必要ありません。しかし、ローザンヌのように伝送された電力が一般電気供給システムで使用される場合、線電圧で電流を受信するモーターは必要な種類のエネルギーを供給するダイナモを駆動しなければなりません。ローザンヌの駅では、伝送線に接続されたモーターの4台がそれぞれ光と電力の配布のための3,000ボルト三相交流発電機を駆動します。この駅の5番目のモーターは路面電車に直流を供給する600ボルトダイナモを駆動します。同じ直列の6番目のモーターは駅からある距離のセメント工場を駆動します。線とモーターの損失による容量の小さな変化を無視すると、この直流システムは受信発電所で一般電気配布のために供給されるキロワットごとにモーターとダイナモに3キロワットを含まなければなりません。受信発電所で機械的な電力だけが必要なケースでは、伝送に関連するダイナモとモーターは供給された馬力ごとに2馬力の組み合わせ容量を持たなければなりません。これらの数字と対比して、機械的な電力だけの交流伝送での電気設備は、発電機とモーターが全線電圧で運転しない限り、モーター軸に供給された単位ごとに発電機とモーターに2キロワットの容量、ならびに変圧器に2キロワットの容量を含みます。一般電気供給が交流伝送システムによって運転される場合、直流が必要なところで変圧器に加えてモーターとダイナモまたはロータリーコンバーターを追加しなければなりません。交流伝送はこのように発電所で最小1キロワットのダイナモと1キロワットの変圧器、または受信発電所で配布線に供給されたキロワットごとにダイナモに2キロワットの容量、変圧器に2キロワットの容量、モーターに1キロワットの容量を含むかもしれません。
直流伝送からの線構造は、高絶縁の必要性を除いて最も単純な性格です。2本のワイヤーだけが必要で、それらは任意の望ましい断面を持ち、単一のポール線に張られ、転置する必要はありません。これらのワイヤーでは絶縁を提供しなければならない最大電圧はシステムの公称電圧です。これらの条件下で、2本の導体を持つ単一の伝送線を構築し、ワイヤーの破断やそれらの間のアークに対する高い信頼性を達成するのに十分なサイズと強度、それらの間の距離で可能です。2相または3相交流による電力伝送では少なくとも3本のワイヤーが必要で、6本以上がしばしば使用されます。6本以上のワイヤーが長い伝送で必要な高電圧の電流を運ぶポール線に取り付けられる場合、ワイヤー間の望ましい距離を得るのは現実的ではありません。他のセットが運転中の1セットのワイヤーの修理は危険な作業で、1セットのワイヤー間で発生したアークが別のセットに伝わる可能性があります。これらの理由で交流伝送では2つのポール線がしばしば提供され、3本以上のワイヤーが各線に立てられます。直流伝送と比較して、交流のものはより多くのポール、より多くのクロスアーム、ピン、絶縁体、および立てる労働を必要とします。与えられた有効伝送電圧では交流線を絶縁するのは直流線より難しいです。まず、交流線では真の正弦曲線でも最大電圧は公称有効電圧の1.4倍ですが、絶縁は最大圧力に耐えなければなりません。次に、特定の回路の電気振動の周期がそれを運転するダイナモの周波数に対応する場合、共振の問題が交流回路の最大電圧を正常量の数倍に運ぶ可能性があります。伝送回路の振動周期とそのダイナモの周波数が一致しない場合でも、良い構造は常にこの不一致のために計画されるべきで、共振は交流伝送の正常電圧を大きなパーセントで増加させる可能性があり、しばしばそうします。交流伝送システムは負荷の状態に関わらず実質的に一定電圧で働かなければならず、絶縁への正常ストレスは常に最大です。一方、直流伝送では、線上の一定電流と変動圧力の一般的な慣行に従う場合、絶縁はシステムの最大負荷の時期にのみ最高電圧を受けます。雷は長い伝送線に接続された機械への非常に現実的で差し迫った危険で、この危険は交流システムより一定電流のシステムで守るのがはるかに難しいです。シリーズアークダイナモが楽しむ雷による損傷からの大きな免除度はよく知られており、そのような機械の磁石巻線はそれらから雷を防ぐ傾向のあるインダクタンスとして作用します。さらに、任意の直流機械で大きな自己誘導を持つ雷避け器を回路に接続でき、雷に対する最も効果的な保護を形成しますが、この計画は交流線では現実的ではありません。
スイッチ、制御装置、およびスイッチボードの点で、交流伝送は一定電流の直流システムよりはるかに多くの設備を必要とします。容量3,450キロワットで23,000ボルトのサン・モーリスの発電所の10台のダイナモは、それぞれ胸の高さくらいの鋳鉄の小さな円柱のスイッチで伝送と接続および切断されます。アンペアメーターとボルトメーターが各ダイナモに取り付けられています。容量と電圧が等しい発電所の交流発電機はバスバー、オイルスイッチ、および自動回路ブレーカーを備えた大きなスイッチボードを必要とします。直流と交流伝送システムの相対効率は、受信発電所で必要なサービスの種類と交流システムで変圧器が使用される程度で変わり、他の要因は一定です。比較のために、交流と直流のダイナモとモーターのフル負荷での効率、およびロータリーコンバーターの効率を92パーセントと公正に取り、変圧器の効率を96パーセントとします。
線についてはフル負荷で94パーセントの効率を仮定でき、これは14,400ボルトで2,160キロワットを32マイルに伝送するスイスの伝送の1つの実際の数字です。直流システムが単に受信発電所で機械的な電力を供給する場合、フル負荷での効率はダイナモ軸からモーター軸まで92 × .94 × .92 = 79.65パーセントです。機械的な電力を供給する交流システムは、線電圧がダイナモの電機子コイルで生成され線損失が6パーセントの場合、ダイナモ軸とモーター軸の間で92 × .94 × .96 × .92 = 76.46パーセントの効率を持ちます。昇圧変圧器が使用される場合、機械的な電力を供給する交流伝送の効率は92 × .96 × .94 × .96 × .92 = 73.40パーセントに低下します。これにより、機械的な電力の単純な供給では、直流伝送が交流より効率で3から6パーセントの利点を持ち、昇圧変圧器が使用されるかどうかに依存します。
受信発電所が一般配布のための直流または交流の供給を供給しなければならない場合、直流伝送の効率は92 × .94 × .92 × .92 = 73.27パーセントです。昇圧変圧器を使用しない場合の交流伝送システムは、降圧変圧器を使用する場合、92 × .94 × .96 = 83.02パーセントで伝送線と同じ周波数の交流を任意の望ましい圧力で一般配布のために供給しますが、昇圧変圧器が導入されると効率は83.02 × .96 = 79.70パーセントに低下します。交流伝送が昇圧変圧器を使用せずモータージェネレーターによって交流または直流を供給する場合、フル負荷での効率は83.02 × .92 × .92 = 70.26パーセントですが、昇圧変圧器を追加すると効率は70.26 × .96 = 67.43パーセントに低下します。電気エネルギーが一般配布のために供給される伝送では、交流システムのフル負荷効率は伝送線からの電流が変換される必要があるかどうかに依存して直流システムのそれより高いか低いかです。
線損失は一定電流伝送では負荷に関わらず同じなので、線効率は負荷でかなり急速に低下します。一方、一定圧力では線でのエネルギー損失のパーセントは負荷に直接変わりますが、エネルギー損失の実際のレートは負荷の2乗です。部分負荷では線効率はこのように交流で直流の一定電流よりはるかに高いです。
電気機械の効率は一般的に部分負荷で低いので、伝送のための交流ダイナモ、変圧器、モーター、またはロータリーコンバーターの数や容量が供給された電力の単位あたり直流伝送のための機械の対応する数や容量より大きい場合、後者は部分負荷での機械の組み合わせ効率で利点を持つでしょう。このように1つのシステムの低い線効率は他のものの機械の低い効率を相殺するかもしれません。エネルギーは通常伝送システムの発電所で非常に安いです。この理由で異なるシステムの効率の小さな違いは初回コスト、信頼性、および運用費用の項目と比較して中程度の重みだけを与えられるべきです。
初回コストの点で少なくとも直流システムは交流より明確な利点を持つようです。詳細な見積もりに入らずに、サン・モーリスとローザンヌ伝送のための直流と交流設備のコストについて報告するために選ばれた5人のエンジニアの団体によって与えられた数字を考慮するのは有益です。これらのエンジニアの報告によると、三相伝送システムは実際に設置された直流システムより140,000ドル高く、他のすべての要因は一定です。この伝送の条件は三相動作に有利で直流設備に不利であることに注意すべきです、なぜならセメントミルの400馬力モーターに行くものを除くすべてのエネルギーが一般配布のために受信発電所で供給されなければならないからです。さらに、ローザンヌのモーターの4台が三相発電機を駆動し、1台だけが電動鉄道のための直流ダイナモを駆動するので、三相伝送は1つのロータリーコンバーターだけを必要としたでしょう。伝送がセメントミルのような機械的な電力の供給だけに関連する場合、初回コストの点で直流が交流システムよりの利点はそれよりはるかに大きかったでしょう。
三相電流による長距離伝送は1891年にフランクフルトで始まり、109マイル離れたラウフェンから25,000ボルト線で58キロワットが受信されました。この歴史的な実験の直後、アメリカで三相伝送が商業規模で始まり、このような発電所はここで急速に増加しました。一方、アメリカでは長い伝送で直流でほとんど何もされていません。三相システムの誕生地のヨーロッパでは、長距離伝送で直流を置き換えるのに失敗しました。そこで約20のこれらの直流伝送がすでに働いています。他のすべての要因が等しい場合、直流システムの低いコストに関するヨーロッパのエンジニアの意見が経験で確認される場合、この電流はアメリカでの長い伝送への重要な適用を見つけるでしょう。
直流伝送システムは一定電圧と変動電流で、一定電流と変動電圧で、または負荷の変化に対応するボルトとアンペアの両方の変動で運転されるかもしれません。数千キロワットの容量のダイナモはそれぞれ500から600ボルトで容易に入手できますが、数千ボルトで数百キロワット以上を供給するダイナモの構築の試みは整流子での深刻な火花に遭遇しました。これまで、300から400キロワットの間の出力を与えるダイナモは2,500ボルトの圧力で満足できる結果を与えるように作られています。
スイスのもう一つの伝送は32マイルの距離で14,400ボルトで行われ、容量は2,160キロワットです。この電圧と容量を与えるために、発電所で8台のダイナモが直列に接続され、各ダイナモは1,800ボルトで150アンペアの出力、または216キロワットです。
直流モーターはもちろん高電圧での容量の点でダイナモと同じ制限を受け、線からの高圧エネルギーを受信するモーターを直列に使用します。これらのモーターの数はダイナモの数にちょうど等しく、または少なくまたは多くなるかもしれませんが、1つの時間に運転中のすべてのモーターの総動作電圧は、その時間に運転中のダイナモの総電圧マイナス線の降下ボルトに等しくなければなりません。
各一定電流モーターは現実的な最大まで任意の望ましい容量を持つかもしれませんが、システムの電流のために設計されなければなりません。各モーターの端子での電圧はその負荷で変わり、モーターが最も仕事をする時に最大です。各モーターでの一定速度は通常、磁石コイルの端子に接続された可変抵抗によって達成されます。この抵抗の量はモーター軸によって駆動される遠心ガバナーによって調整されます。このガバナーはまた、磁石コイルを通る電流が変わるにつれて火花を防ぐために整流子上のブラシの位置をシフトします。
一定電流伝送のための磁石と電機子の巻線は通常、互いに直列に接続され、同じ電流が回路のすべての要素を通る線と直列に接続されますが、各モーターは速度調整の目的でその磁石コイルからいくらかの電流をシャントするかもしれません。
いくつかの場合、しかし、ダイナモの磁石コイルは互いに並列に接続され、それらの目的のために設計された別々のダイナモからその電流を受け取ります。この磁石コイルの別々の励磁で、ダイナモ電機子はまだ互いに直列に接続され線です。
一定電流システムの発電所と線上の総電圧は供給されるエネルギーのレートで変わり、フル負荷の時期にのみ最大値を持ちます。この電圧の変動を得るために、線電流によって作動する自動調整器によってダイナモの速度を変えるのが一般的な慣行です。線電流の任意の増加は調整器を作動させダイナモの速度を下げ、線電流の減少はダイナモ速度を上げます。良い調整器で線電流の変動はわずかです。この調整方法の下で運転中のダイナモは常に電機子と磁石コイルの両方で実質的に一定電流を持ち、整流子上のブラシの位置をシフトする理由はありません。
一定電流伝送システムの発電所は一般的に水力で駆動され、速度調整器は各ホイールに許容される水の量を変えるために作動します。各タービンホイールは通常一対のダイナモを駆動しますが、1つまたは任意の数のダイナモが単一のホイールによって駆動されるかもしれません。単一のホイールによって駆動される2台のダイナモは一般的に常に直列に接続され、主回路に一緒に切り込まれたり切り出されたりします。一定電流発電所の負荷がすべてのダイナモより少ない電圧を開発できるような場合、1つ以上のダイナモを停止し回路から取り出せます。
これをするために、サービスから外されるダイナモまたは一対のダイナモは停止され、それらの磁石コイルが最初に短絡され、それからそれらの電機子の線への接続を横断するスイッチが閉じられ、その後電機子の線への接続が開かれます。逆のプロセスで、任意のダイナモまたは一対のダイナモを運転回路に切り込めます。
運転中の直列の各ダイナモの端子では電圧はその電機子で開発されたものだけなので、いくつかの巻線間の絶縁は対応するストレスだけを受けます。全線電圧は、しかし、直列の1つの端のダイナモのコイルからそのフレームへ、そこからそのフレームが置かれる任意の物質へ、そして直列の他の端のダイナモのフレームとコイルへ電流を強制する傾向があります。ダイナモコイルの絶縁を線電圧から保護するために、厚い磁器のブロックがダイナモフレームの下に置かれ、電機子軸は絶縁カップリングによってタービンのものに接続されます。
すでに述べられたスイッチの他に、各ダイナモと機械の全直列のためのボルトメーターとアンペアメーターを提供すべきです。これでスイッチボード設備が完成し、したがって非常に単純です。一定電流システムの線損失は運転される負荷に関わらず同じなので、この損失は負荷が軽い時に総出力の大きなパーセントになるかもしれません。例えば、駅の最大電圧の5パーセントが線を通る一定電流を強制するのに必要なら、線損失のパーセントは駅電圧が最大の半分の時に10に上昇し、駅がそのフル容量の4分の1だけを供給する時に20に上昇します。
この一定電流動作の特性を考慮すると、線損失は最大負荷に対する比率でかなり小さくすべきです、なぜならほとんどの駅は時間の多くを部分負荷で働かなければならないからです。一定電流伝送での線損失のための最大駅電圧の5パーセントは公正な一般的な数字ですが、特定のケースの状況はより高いまたは低いパーセントを指示するかもしれません。
上記で名付けられた32マイル伝送では、線での損失はフル負荷での駅出力の6パーセントです。
直流による伝送が一定圧力で行われる場合、各ダイナモの容量と電圧の制限は一定電流の場合と同じくらいです。おそらく今、500から600ボルトの電動鉄道作業に捧げられる大部分のより多くのエネルギーが一定圧力の直流によって伝送されています。約これらの電圧のためのダイナモは数千キロワットの容量でそれぞれ容易に入手できますが、この圧力で行う経済的な伝送の長さは比較的小さいです。500ボルトで線に供給され10マイルに10パーセントの損失で伝送されるキロワットごとに、銅導体の重量は372ポンドで、ポンドあたり15セントで56.80ドルです。この額は容量のキロワットあたりの良い直流ダイナモのコストの2倍から4倍です。伝送の距離が10マイルで電圧と線損失が以前のままの場合、銅導体の重量は線に供給されたキロワットあたり1,488ポンドに増加し、227.20ドルです。
経験は、400キロワット以下のサイズで直流ダイナモがそれぞれ2,000ボルトの電圧を安全に持つことが示され、そのようなダイナモの任意の数を並列に運転でき、望ましい容量を与えます。2,000ボルトと線での損失の10パーセントでキロワットあたりの銅導体の重量は93ポンドで、線に供給されたキロワットごとに13.95ドルで10マイル伝送です。20マイル伝送で2,000ボルトではキロワットあたりの導体の重量は損失のパーセントが2つのケースで等しい500ボルトの5マイル伝送でのそれらの重量と同じです。50キロワット以上の大規模な直流モーターは2,000ボルトの圧力で入手でき、そのようなモーターの任意の数は直列の他のものに関係なく完全に独立して2,000ボルトの一定圧力線から運転されるかもしれません。これらの数字から、単一のダイナモから良い効率と導体への穏やかな投資で10マイルの伝送が直流で一定圧力で行われることが明らかです。
距離が直流の一定圧力伝送で2,000ボルトよりはるかに多い電圧を必要とするような場合、ダイナモとモーターを直列に接続するのに頼らなければなりません。一定電流作業の場合のように多くのダイナモをそう接続できます。一定圧力伝送線に接続されたモーターを直列にするシリーズでモーターの組み合わせ電圧はその線の電圧に等しくなければならず、したがって1つのシリーズのモーターの数は一定でなければなりません。伝送の電圧が2つまたは3つ以上のモーターを各シリーズに接続しなければならないほど高い場合、モーターが時間の多くを軽負荷で運転されなければならないという異議が来ます。さらに、各シリーズは単一のダイナモや他の機械の駆動のような同じ仕事に機械的に接続されなければなりません、なぜならシリーズのモーターの負荷が異なって変わる場合、これらのモーターは一定速度で運転しないからです。直列のモーターを持つ一定圧力の直流伝送はこのように、任意のモーターがその時間に使用されるモーターの数とそれらがしている仕事に応じて発電所で自動的に調整される線電圧で、他のものに関係なく開始および停止される一定電流での伝送の柔軟性を欠きます。
そのダイナモ、モーター、および線での効率で、一定圧力伝送システムはフル負荷で一定電流のものに実質的に等しいです。部分負荷では一定圧力線はそれのエネルギー損失が負荷の2乗で変わるため利点を持ちます。このように一定圧力で半負荷での時間あたりのエネルギー線損失はフル負荷での損失の4分の1だけです。一方、一定電流線でのエネルギー損失は負荷のすべての段階で同じです。これらの事実のため、フル負荷で一定圧力線で10パーセントの損失を許容し、一定電流線で5パーセントだけを許容するのが良い慣行です。
2,000ボルト以上の一定圧力の発電所では、主ダイナモの磁石コイルを並列に接続し一定圧力の小さなダイナモによって別々に励磁するのが望ましいです。この計画は特に線電圧を得るためにいくつかのダイナモの電機子が直列に接続される場合に望ましいです。別々に励磁された磁石コイルは複数のダイナモの運転を制御しやすくし、低電圧のコイルは高電圧のコイルより安く作れ、低電圧巻線は燃え尽きる可能性が少ないです。ローザンヌのシリーズの磁石コイルを線からより特殊なダイナモから励磁するのがより安く安全かもしれません。
シリーズ巻ダイナモとモーターの組み合わせ伝送では、モーターの速度はすべての負荷で特別な調整機構なしで一定かもしれません。この結果を達成するためにはすべてのモーターが機械的に単一のユニットを形成するように連結され、ダイナモが一定速度で駆動されることが必要です。このようなシステムは単一のダイナモと単一のモーター、または2つ以上のダイナモと2つ以上のモーターを使用し直列に使用されるかもしれません。
そのようなシステムのダイナモが一定速度で駆動され変動負荷が単一のモーター、または機械的に接続されたモーターに適用される場合、システムの電圧とすべての部分に流れるアンペアの両方が一緒に変わり、ダイナモとモーターの両方の設計が目的に適している限り、モーターで実質的に一定速度が維持されます。モーターの最大負荷でシステムのボルトとアンペアは最大値を持ち、これらの値は小さい負荷で両方低下します。このシステムの主な欠点は、1つ以上のモーターが使用される場合すべてのモーターが機械的に結合され同じ負荷で働かなければならないという事実です。
一定電流システムと比較して、このシリーズダイナモと機械的に接続されたシリーズモーターの組み合わせは、ダイナモもモーターもモーター速度を維持するためのいかなる種類の調整器も必要ないという明確な利点を持ちます。一定圧力システムと比較して、検討中のものはそのダイナモもモーターも端子に高電圧の磁石コイルを持ち細線で構成されたり特殊なダイナモによる別々の励磁を必要としない利点を持ちます。これらのシリーズダイナモとモーターのシステムの特徴、後者は機械的ユニットとして結合され、他の2つのいずれかより設置が安く運転が簡単です。このシステムはかなり大きな単位での機械的な電力の供給に特に適しています。利用可能な電圧は任意のものですが、すべてのモーターが機械的ユニットとしてその電力を供給しなければならない制限を受け、電力がかなり大きい限りシリーズのモーターの数としたがって電圧は制限されます。
ちょうど説明された伝送システムの興味深い例は、スイスのビエンヌ近くのスーズ川の地点とビベレスト製紙工場間の存在です。川では400馬力のタービン水車が一対のシリーズ巻ダイナモを駆動し、それぞれ130キロワットと3,300ボルトの定格です。これらのダイナモは直列に接続され、合計容量260キロワットと圧力6,600ボルトを与えます。ビベレスト工場にはスーズ川の2台のダイナモから延びる2線伝送線と直列に接続され機械的に結合された2台のシリーズ巻モーターがあります。これらのモーターのそれぞれは以前に述べられたダイナモのいずれかの容量と電圧に等しいです。結合されたモーターはすべての負荷で毎分200回転の一定速度で運転され、最大仕事をする時に300馬力以上を供給します。発電所とビベレスト工場間の距離は約19マイルで、2本の線ワイヤーはそれぞれ銅で、直径0.275ミル、または1/4インチ少し超です。このシステムのダイナモとモーターは全線電圧のストレスからその巻線の絶縁を保護するために厚い磁器のブロックに取り付けられます。
考慮された直流による3つの伝送システムのいずれも、線電圧で両方のダイナモとモーターが運転するものを除く交流を使用する任意のシステムより与えられた機械的な電力供給のレートのための電気装置の総容量が小さいです。
第V章
電気電力伝送の物理的限界
電気エネルギーは、線路電圧が無制限であれば、世界中へ伝送することが可能である。これは、一定の電力が、距離に比例して電圧を増加させることで、一定の効率と固定された導体の重量で任意の距離に伝送できるという法則から導かれる。
したがって、電気電力伝送の物理的限界は、使用可能な電圧によって決定される。伝送電圧の影響は、発電所および受電所の装置と、線路に現れる。これらの両方の状況において、経験が主な指針となり、理論は電圧が動作不能になる限界について信頼できるものをほとんど提供しない。
発電機は、伝送システムにおいて実用的な電圧の限界が最初に達するポイントである。現在の米国におけるほぼすべての高電圧伝送では、交流発電機が使用されている。数百キロワットの容量で4,000ボルトを超える電圧の直流発電機は、ヨーロッパでごくわずかしか作られておらず、米国ではおそらく一つもない。高電圧での直流伝送を行う場合、通常、発電所で2台以上の発電機を直列に接続し、受電所でモーターを同様に配置して、線路で所望の電圧が得られるようにするが、各機械には存在しない。
数百キロワットの容量で約6,000ボルトの電流を供給する交流発電機は、数年間定期的に使用されており、数千キロワットの容量のものを容易に入手できる。しかし、6,000ボルトでさえ、現在かなり一般的である15マイルから50マイルの伝送には経済的な圧力ではない。したがって、そのような伝送では、3,000ボルト未満で動作する交流発電機を使用し、発電所で昇圧変圧器を使用して所望の線路圧力まで電圧を上げるのが一般的である。しかし、最近では、すべての電機子巻線が固定されている回転磁石型の交流発電機で、電圧を13,000ボルトまで押し上げている。この電圧により、一部のケースでは30マイル以上でも昇圧変圧器を使用せずに済む。この電圧の13,000ボルトは、この圧力を発生するコイルの絶縁材料に必要な比較的大きなスペースのため、いくつかの困難を伴う構造によって達成される。この構造の傾向は、交流発電機を与えられた容量に対して異常に大きな寸法にする。さらに、交流発電機の電機子コイルで発生する圧力は、現在伝送線路で使用されている50,000ボルトや60,000ボルトをはるかに下回る点で上限に達するようである。最長の交流伝送では、発電所の昇圧変圧器と受電所の降圧変圧器を省略できる見込みはほとんどない。これらの所で受信または供給される最高電圧は、単に変圧器で発生可能で線路で伝送可能な最高電圧である。
変圧器では、発電機の電機子よりもはるかに高い絶縁度を達成するのがはるかに容易である。なぜなら、絶縁材料に利用可能なスペースが変圧器の方がはるかに大きく、さらにその構造がコイルを石油に完全に浸漬することを可能にするからである。この油は、空気よりも電気火花の通過に対する抵抗がはるかに大きく、非常に高い電圧でコイル間にアークを発生させる傾向がある火花の通過を防ぐ。コイル間の電圧差が大きい場合に発生するクリーピング効果による絶縁への危険は、コイルを油に浸漬することで大幅に回避される。数年間、変圧器群は40,000ボルトから60,000ボルトで定期的に動作しており、実用的な電圧の上限に達した兆候は全くない。それどころか、変圧器は実験的に繰り返し100,000ボルト以上で動作している。
これらの事実や同様のものから、現在実用的に使用されている50,000ボルトや60,000ボルトをはるかに超える変圧器で達成可能な電圧の物理的限界があると結論づけるのは妥当である。現在の慣行に関して、高電圧の使用の限界は、変圧器を超えて発電所および受電所の外側で探す必要がある。現在構築されている線路は、伝送システムの部分で、より高い電圧の使用に対する物理的限界が最初に達する部分である。この限界に最も直接的に寄与する要因は2つである：ポール上の複数のワイヤー間の暫定的なアーキングと、それほど目立たないがワイヤー間の恒常的なエネルギー通過である。非常に高い電圧の線路では、アーキングがいくつかの原因の一つによって時折発生する。ワイヤーを支える絶縁体の1つ以上が破損したり欠陥が生じたりするポイントでは、電流が湿ったクロスアームに沿ってワイヤーから別のワイヤーへ流れ、木材が炭化してアークが形成され、クロスアームやポールさえ焼き尽くす。線路が濃い海霧にさらされる場合、塩が絶縁体とクロスアームに堆積し、アークが発生し、しばしばクロスアームの破壊に至る。一部のケースでは、高電圧で使用されるワイヤーを支えるガラスや磁器の絶縁体が、絶縁体の材料を貫通して支柱ピンに火花が通り、ピンを焼き、最終的にクロスアームを焼く。この問題は、より良いグレードの磁器を採用するか、ワイヤーと支柱ピンの間のガラスや磁器の厚さを増やした絶縁体で容易に対処できる。高電圧の線路間のアークは、通常、絶縁体が湿ったり塩の堆積で覆われたときに絶縁体の下縁からクロスアームに飛び火花から始まる。絶縁体の下縁がクロスアームから数インチしか離れていないため、火花は絶縁体からクロスアームへ、そして他の絶縁体とワイヤーへという比較的低抵抗の経路を見つける。湿ったクロスアームの木材は空気よりもはるかに良い導体である。ワイヤーが数フィート以上離れている場合、火花はおそらく直接空気を通って一方から他方へ飛び越えない。しかし、そのようなワイヤーに近い大きな鳥が飛ぶと、一部のケースで一時的なアークが発生する。クロスアームを油やパラフィンで処理すると、高電圧線路で発生するアークの数を減らすが、完全に防ぐわけではない。
長距離伝送の電圧が上がるにつれて、ワイヤー間の空気を通じた距離と、絶縁体の下縁の湿った部分からクロスアームまでの距離が大幅に増加された。高電圧の初期の伝送線路の多くは、1フィートから2フィート離れた絶縁体に立てられた。これに対して、Cañon FerryとButte間の50,000ボルトで動作する伝送線路の3本のワイヤーは、78インチ離れた三角形の角に配置され、各ポールの頂部に1本のワイヤーと、クロスアームの反対端に他の2本のワイヤーである。18インチ離れたワイヤー間で湿ったクロスアームに沿ってアークを発生させる電圧は、絶縁体の下縁の湿った部分がクロスアームから等距離の場合、78インチのクロスアームでは全く無力である。電流がクロスアームに到達するためには、湿ったまたは汚れた絶縁体の外側表面を下ってその下縁まで流れる。古いタイプの絶縁体では、下縁の湿った部分がクロスアームから2インチ以内に来ることが多かった。前述の50,000ボルト線路では、絶縁体（イラスト参照）は下縁の湿った部分がクロスアームから約8インチ上に取り付けられている。各絶縁体の下縁の直径は9インチで、小さなガラススリーブがこの縁の下に数インチ延びて木製ピンに近づき、絶縁体の下縁の湿った部分からピンへの火花を防ぐ。これらのワイヤー間の直接距離の増加と、絶縁体の下縁の湿った部分からピンやクロスアームの木材までの距離の増加は、現在使用されている最大圧力の50,000ボルトから60,000ボルトで良好な気象条件下で深刻なアーキングを防ぐのにかなり効果的である。これらの電圧を大幅に超える場合、破壊的なアーキングを避けるために、ワイヤー間の距離と絶縁体の下縁の湿った部分からポールやクロスアームの木材までの距離をさらに増加させる必要があるのはほぼ確実である。
現在の線路構造で電圧の絶対的な物理的限界に最も近いのは、回路のワイヤーからワイヤーへの空気を通じた恒常的なエネルギーの電流である。米国電気工学会論文集第XV巻の論文では、コロラド州Tellurideで行われたテストが記載されており、ワイヤーから回路の別のワイヤーへ空気を通じたエネルギーの損失率を決定している。Tellurideのテストは、最初に直径0.165インチの鉄ワイヤー、次に直径0.162インチの銅ワイヤーで、11,720フィートのポール線路に張られた2線回路で行われた。線路の異なる電圧でのワイヤーからワイヤーへのエネルギーの逃げを測定し、ワイヤーをさまざまな距離に離して行った。絶縁体の表面を通じたエネルギーの損失は非常に少なく、空気を通じた直接の通過による損失が主に考慮されるものであることがわかった。この空気を通じた漏れは、予想通り線路の長さに比例する。テストは、ポール線路の全長を走るワイヤーのペアで、15、22、35、52インチ離れたそれぞれで行われた。22インチまたは35インチ離れたワイヤーの損失は、15インチと52インチ離れた場合の損失の中間であった。元の論文で与えられた15インチ離れたワイヤーのペアと52インチ離れたペアの結果を、ここでは2線線路のマイルあたりのおおよそのワットに換算する。40,000ボルトでは、15インチ離れた2本のワイヤー間の損失はマイルあたり約150ワットで、52インチ離れた2本のワイヤー間の損失は84ワットであった。15インチ離れた2本のワイヤーは、電圧が44,000ボルトまで上がるとマイルあたり約413ワットの漏れを示したが、52インチ離れたワイヤーは同じ電圧で94ワットのみであった。15インチ離れた2本のワイヤーで記録された最高圧力の47,300ボルトでは、それらの間の漏れはマイルあたり約1,215ワットであったが、52インチ離れた2本のワイヤーでは同等の電圧で122ワット、つまり15インチ離れたワイヤーの10分の1であった。52インチ離れた2本のワイヤーで約50,000ボルトに達すると、それらの間の漏れはマイルあたり140ワットに達した。しかし、この電圧を超えると損失は急速に上がり、約54,600ボルトで225ワットとなった。さらに高い圧力では、これらの2本のワイヤー間の損失はさらに急速に増加し、記録された最高圧力の約59,300ボルトで1,368ワットとなった。52インチ離れた2本のワイヤーでマイルあたり約1,215ワットの損失では、電圧は58,800ボルトで、15インチ離れた2本のワイヤーで同じ漏れを生じる47,300ボルトと対比される。
明らかに、線路ワイヤー間でさえ52インチ離れていても、高電圧の限界は遠くない。52インチ線路の電圧を54,600から59,300に上げると、2本のワイヤー間の漏れ損失はマイルあたり約1,143ワット増加した。漏れが少なくとも同様の割合でさらに高い圧力で増加すると仮定すると（おそらくそうである）、線路に80,000ボルトでは2本のワイヤー間の損失はマイルあたり6,321ワットになる。200マイルの線路では、この2本のワイヤー間の漏れによる損失は1,264,200ワットになる。このような漏れは明らかに電圧、そして伝送の長さに対する絶対的な物理的限界を設定する。
幸いにも、エネルギーの源から遠距離への将来の供給のために、前述の限界を避ける手段は難しくない。他の実験では、与えられた電圧と導体間の距離で、ワイヤーからワイヤーへのエネルギーの損失は直径が増加するにつれて急速に減少することが示されている。空気の電気抵抗は、他の物質と同様に、それを通る回路の長さに比例して増加する。記述された漏れは、回路の1本のワイヤーから別のワイヤーへの空気を通じた電気エネルギーの流れである。この漏れを減らすためには、空気を通るワイヤーからワイヤーへの経路に大きな電気抵抗を与えるだけであり、つまりワイヤーをより離すことである。Tellurideで実証された事実、すなわち各線路に47,300ボルトで15インチ離れた2本のワイヤー間のマイルあたり漏れが52インチ離れた2本のワイヤーの10倍であることは、意味に満ちている。明らかに、空気を通じた漏れは、回路のワイヤー間の距離を適切に増加させることで任意の程度に減らすことができる。しかし、このワイヤー間の距離の増加を非常に進めるには、線路構造の根本的な変更を伴う。これまでは、伝送回路の2本または3本のワイヤーを単一のポール線路に運ぶのが一般的で、多くの場合いくつかのそのような回路が同じポール線路に取り付けられる。モンタナ州Butteへの65マイル伝送では、単一回路の3本のワイヤーのみが1つのポール線路に取り付けられ、これが現在の最良の慣行を表す。この線路のクロスアームはそれぞれ8フィート長で、各ポールに1つ取り付けられる。ポールは35フィート以上で、8インチの頂部を持つ。各ポールの頂部に1本のワイヤー、他の2本のワイヤーはクロスアームの端近くに取り付けられ、3本のワイヤーが等距離で78インチ離れている。より重いポールを使用することで、クロスアームの長さを12または14フィートに増加でき、その断面は4×6インチ以上であるべきである。ポール頂部に1本のワイヤーを置き、12フィートのクロスアームでは、回路の3本のワイヤーを約10.5フィート離れて配置できる。特大ポールのコストは急速に上がり、代替構造がより適しているようである。さらに、数万ボルトの現在の慣行を超えると、10.5フィート離れていても禁止的な漏れを防げない点に再び達する。20フィート離れた2本のポールを設定し、それらの間にクロスピースを置き、各ポールから5フィート延びて総長30フィートにする。これにより、クロスピースに沿って3本のワイヤーを約14フィート離れて取り付けることができる。
現在の50,000ボルトから60,000ボルトの伝送圧力を大幅に超える場合、線路構造は回路の各ワイヤーごとに別々のポールを使用し、各ワイヤーをポールの頂部に取り付けることを伴うかもしれない。この構造では、三相伝送の3本のワイヤーを運ぶために3つのポール線路が必要である。これらのポールのそれぞれは、中程度の寸法、例えば30フィート長で6または7インチの頂部でよい。これらの3本のポールのコストは、12フィートのクロスアームに必要な35または40フィートのポールで8から10インチの頂部のものより、適度な割合でしか超えない。線路に直角なこれらのポール間の距離は任意にできるため、空気を通じたワイヤーからワイヤーへの漏れは任意の電圧で些細なものになる。ポール頂部の余分に長いピンと絶縁体により、各絶縁体の下縁の湿った部分からピンやポールの木材までの距離を2フィート以上に容易にできる。このような線路構造は、おそらく現在の慣行の最大電圧の2倍または3倍を安全に運び、電気伝送の物理的限界を変圧器が動作可能な最高圧力まで押し戻すかもしれない。線路に60,000ボルト以下では、多くの場合導体のサイズが十分に大きく、6フィート離れているとそれらの間のエネルギーの損失を適度な限界内に抑えられるが、電圧の大幅な増加では導体のサイズを増やすか、それらの間の距離を増加させる必要がある。
第VI章。
電気発電所のための水力の開発。
電気伝送は水力開発のコストを削減しました。伝送なしでは、電力は利用される建物のための十分なスペースがあるように複数の異なる地点で開発されなければなりません。この条件は、水を電力が開発されるいくつかの地点に導くための比較的長い運河を必要とし、また運河と河川の正面を持つ比較的大きな土地の面積を必要とします。
電気伝送では、電力がどれほど大きくても、単一の地点で非常に限られた土地の面積で開発されるかもしれません。この場合の運河はダムの1つの端から近くの発電所への短い通路だけ、または発電所自体がダムを形成する場合のように完全に消えるかもしれません。
水力目的のための水の分配と伝送のための電気エネルギーの水による開発のこれらの違いは、多くの例で示されます。
水を電力が必要な地点に分配する典型的なケースは、ニューハンプシャー州マンチェスターのアモスケーグ製造会社のメリマック川の水力開発で見られます。この開発にはメリマック川を横断するダムと、下流約3,400フィート川の1つの岸に沿った2つの平行な運河が含まれます。石のダムとその先の少しの自然の落差により、高水準運河の上端で約48フィートの水頭が得られます。この地点の下では、2つの運河に並行するその経路の部分を通じて河床の低下はほとんどありません。電力の分配のための手段が提供される場合、すべての電力はダムの1つの端の数ロッド以内で開発されるかもしれません。
この水力が開発された数年前、電力の電気伝送または分配は聞かれず、水自体の分配がしたがって採用されなければなりませんでした。この目的で、すでに述べられた2つの運河が異なるレベルで川の高岸に沿って建設されました。
いわゆる高水準運河は、ダムの1つの端の少し下の盆地またはフォアベイから直接水を取るよう設計され、この運河と川の間には約48フィートの完全な水頭があります。この高水準運河のほぼ全経路で、川の端に近い側は川の壁の端から450から750フィート走り、それにより運河と川の間に水車で駆動される工場を位置づけるための大きな面積を含みます。しかし、高水準運河と川の間のこの土地の帯は単一の列のミルサイトには広すぎると考えられ、低水準運河がしたがって高水準のものと平行に建設されましたが、約21フィート少ない標高です。
これらの2つの運河の間に約250フィート幅の土地の帯がミルの位置づけのために残されました。この運河の配置により、2つの運河の間の建物に位置する車輪に約21フィートの水頭の下で水を供給し、低運河と川の間の車輪に約29フィートの水頭の下で水を供給することが可能です。高運河と川の間の土地の全面積はこのように工場建物のために容易に利用可能です。
低運河のための水は主に2つの運河の間の建物内の車輪を通じて高運河から引き出されます。このようなケースでは、低運河と川の間の車輪を通じて流れる水と同じくらい高と低運河の間の車輪を通じて流れる水を持つことが望ましいですが、これは常に可能ではありません。したがって、フォアベイで2つの運河が始まる地点にゲートが提供され、必要ならフォアベイから直接低運河に水を通すことができますが、フォアベイと低運河の間の21フィートの水頭はこの水に関して失われます。高と低運河の間と低運河と川の間に23のタービンホイールまたはホイールのペアが接続され、これらの車輪は合計9,500馬力の定格です。
この水力開発を実行するために、約1.3マイルの運河が建設されたことがわかります；この長さの半分の河川正面が必要で、約6分の1平方マイルの領土が占められました。この結果と、この水力が開発された時に電力の電気伝送が利用可能だった場合に何ができたかを比較します。既存の1.3マイルの運河の長さの数ロッドを除くすべてを省略でき、川の全流量を取る車輪を持つ電動発電所はダムの1つの端から遠くない場所に位置づけられたでしょう。そのように開発された電動電力を利用する工場は河川正面や他の場所の任意の便利な地点に位置づけられ、散在した車輪のセットへの頭水と尾水の接続の必要性のためにスペースが利用不可になることはありませんでした。
前述の水力開発と比較して、モンタナ州のミズーリ川のカニオンフェリーでの開発で、10,000馬力が水頭32フィートの下で開発されます。カニオンフェリーでは発電所は床レベルで225フィート x 50フィートで、タービンホイール直接接続の10台の主発電機の合計容量7,500キロワットまたは10,000馬力を持ち、500フィートのダムの1つの端に近い川岸に建設されます。発電所の陸側に沿って走る運河はダムの突端の上流側で水を取り、発電所自体の長さの約2倍です。電気開発と伝送に有利なこの運河建設の節約は、必要な土地の面積の節約を言うまでもなく、明らかに大きな項目です。小さな面積と短い運河でカニオンフェリー発電所は例外ではなく、中程度の水頭の下で運転する大規模な電動水力発電所の典型です。
類似のケースは、マサチューセッツ州チコピー川のレッドブリッジの発電所で見られ、ダムの1つの端からの運河340フィートとペンストック100フィートが水を水頭49フィートで発電所に運びます。この発電所は合計4,800キロワットまたは6,400馬力の容量の発電機を含み、その床面積は141 x 57フィートです。
[イラスト: FIG. 5.–チコピー川のレッドブリッジの運河。]
したがって、再び、メイン州ノースゴーハムのプレサンプスコット川のグレートフォールズの発電所で、エネルギーがメイン州ポートランドの照明と電力のために引き出されます。地面面積でこの発電所は67.5 x 55フィートで、主発電機の容量は2,000キロワットまたは2,700馬力です。
水力開発のコストを電気伝送がどの程度削減するかの印象的な例は、ニューハンプシャー州のピスカタクォグ川のグレッグズフォールズで見られ、1,200キロワットの容量の電動発電所がダムの1つの端に近く建設され、水を51フィートの水頭の下でその車輪に運ぶ直径10フィートの短いペンストックを受けます。
[イラスト: FIG. 6.]
おそらくどこでもその車輪に水頭を提供するダムに近い最大の電動水力発電所は、ハドソン川上のスピアフォールズのそれで（カットを参照）、この発電所の1つの端はダムの高い壁セクションで形成され、この壁から発電所の下流の長さは392フィートで、幅は70フィート10インチで、両方の寸法は内部で取られます。この場合の運河またはフォアベイは発電所の岸側にあり、それの長さにほぼ等しいです。この運河から直径12フィートの10本の短いペンストックが水を水頭80フィートの下で発電所の同じ数のタービンホイールのセットに運びます。これらの車輪は合計容量24,000キロワットまたは32,000馬力の発電機を駆動します。
時には河床の傾斜が非常に緩やかであるか小さな落差の数で分割されるか、水の量が非常に小さいため、長い運河の建設なしで任意の1つの地点で非常に大きな電力を開発できません。このようなケースで電気伝送は再び川の長い区間からのすべての電力を単一の地点に集中するのを可能にする建設の費用を削減するために利用可能です。これは川に沿って望ましいだけ多くの地点に電動発電所を位置づけ、それらのすべての発電所から電力を使用される単一の地点に伝送することによって行われます。
例として、メリマック川上のガービンズフォールズとフックセットフォールズがあり、4マイル離れています。これらのフォールズの前者では水頭は28フィートで、後者では16フィートです。これらの2つのフォールズの電力を単一の水駆動発電所で結合するには明らかに4マイルの長い運河が必要で、その費用は禁止的かもしれません。これらのフォールズからのエネルギーは両方の地点の発電所とそこからその都市への伝送線によってニューハンプシャー州マンチェスターの単一の副発電所で利用可能です。
フックセットでは現在の発電所の容量は1,000馬力で、ガービンズフォールズでは容量は1,700馬力です。しかし、川はこれらのフォールズの両方でより大きな電力を開発でき、ガービンズでの建設は現在その発電所の容量を5,000馬力に上げています。
長い運河なしで水力の組み合わせの類似の結果は、3マイル離れたピスカタクォグ川上のグレッグズフォールズとケリーズフォールズの場合に到達します。これらの2つのフォールズの前者では電動発電容量は以前に述べられたように1,600馬力で、後者のフォールズでは容量は1,000馬力です。各場合発電所はそのダムに近く、運河は必要ありません。電気伝送はこれらの2つの電力をメリマック川上の上記の2つの発電所からエネルギーを受信するマンチェスターの同じ副発電所で結合します。
2つ以上の水力をそのそれぞれから遠い地点で利用される電力として結合する代わりに、1つ以上のフォールズで開発された電力を他のサイトに伝送しそこで使用できます。これは実際、マサチューセッツ州チコピー川上のラドローツワイン工場でなされ、これらの工場は川のその地点でその落差が約2,500馬力を利用可能にする地点に位置し、この落差はフル容量で開発されています。蒸気エンジンの容量2,400馬力が追加された後、より多くの水力が求められ、新しいダムが工場から上流約4.5マイルの同じ川の地点に位置づけられました。川の全流量はこの新しいダムで利用可能で、4.5マイルの長い運河が水をラドローの工場内の車輪に下ろすために使用されたかもしれません。
そのような運河は土地と建設のための大きな投資を意味し、川のすべての水が転用される場合川に隣接する不動産への損害もおそらくです。そのような運河の代わりに、6,400馬力の容量の発電所が新しいダムに近く位置づけられ、この電力はラドローの工場内のモーターに伝送されます。
水力が異なる川の別々で遠いもののものであっても、電気伝送は望ましい任意の地点で結合するのを可能にし、それは高価であっても運河のシステムではできないことです。このようにメリマックとピスカタクォグ川の両方からの電力がマンチェスターの同じワイヤー上で配布され、ユバとモケルムネがサンフランシスコの街路沿いの電気供給に貢献し、モンテアルトとトラルネパントラがメキシコシティでエネルギーを供給します。
前述から、常に同じ川に沿った異なる地点で2つ以上の小さな水力を伝送のために開発する方が、より精巧な水力建設によって単一の大きな発電所で水を集中するより経済的であるとは限りません。単一の大きな水力と電動発電所は通常いくつかの小さなものより初回コストが大きいです、なぜなら必要な運河やパイプラインのためです。この大きな水力投資への部分的な相殺は1つといくつかの伝送線の間のコストの差、または少なくともいくつかの小さな発電所の間の線が必要でそれらのエネルギー出力を使用の地点への単一の線での伝送前に結合するためのコストです。
単一の大きな水力と電気発電所の総超過コストに対して、いくつかの小さな別々の発電所での運用費用の大きな費用を設定すべきです。小さな水駆動電動発電所でさえ、1つの時間に単一の係員で運転できる場合、1日の大部分またはすべてのエネルギーを供給する場合2人の係員が必要です。しかし、単一の係員は容量2,000馬力以上の水力発電所を世話でき、750馬力の2つの発電所は1,500馬力の1つの発電所の運用人員の2倍を必要とします。そのような発電所がその組み合わせ容量の1つのかわりに2つ建設される場合、2人の追加のオペレーターの月給は少なくとも100ドルです。お金が年間6パーセントの価値がある場合、電力が1つの地点に集中するための水力工事に追加の投資$1,200 ÷ 0.06 = $20,000がなされても、年間利子料金が2つの発電所によって必要とされる賃金の増加に等しくなる前にです。
電動水力発電所での運転の信頼性は最も重要な要件の1つで、その建設はこの観点で行われるべきです。アンカーアイスは寒い気候での水車の定期運転への深刻な脅威で、なぜならそれはラックと車輪通路の開口部を詰まらせるからです。アンカーアイスは浅く速く流れる川の水で小さな粒子で形成され、水が接触する固体物質に塊を形成する傾向があります。
ペンストックまたは車輪室の入り口では、すべての浮遊物を車輪から遠ざけるために、長い狭い開口部、例えば1.25インチ幅の鋼ラックが定期的に置かれます。細かいアンカーまたはフラジルアイスを持つ水がこれらのラックに接触する場合、形成されるアイスを掻き取る作業で人を置かない限り狭いバー間の開口部を急速に詰まらせます。ナイアガラフォールズ電動発電所では、一部の事例でラックが詰まった時、それらを上げ、アンカーアイスを車輪を通って下ろすことを許しました。これは効果的な救済であると言われましたが、アイスが車輪自体の通路を詰まらせる場合明らかに役に立たないでしょう。
アンカーアイスに対する最良の保護は、ラックの隣の大きな深いフォアベイで、水が比較的静かで寒い天気が始まった後すぐに凍るでしょう。このフォアベイに下るアンカーアイスは前進運動の大部分を失い、すぐに表面または固いアイスの上塗りの下側に上がり、より暖かい水が底に沈みます。良い建設はペンストックの入り口端をフォアベイの水面の下に十分に置き、それらが少しまたは全くアンカーアイスを含まないより暖かい水を受け取るようにします。
サイズ、フォアベイの深さ、およびペンストックの位置に関するこれらのラインに沿った慣行のイラストは多くのよく設計された発電所で見られます。1つの事例は、ニューハンプシャー州マンチェスターの電動システムに含まれるガービンズフォールズで、5,000馬力のための新しい水力開発が現在進行中です。この場合の水は川から長さ500フィート、底と正常な流線の中間平均幅68フィートの運河を通じて発電所に来ます。高さではこの運河は上端で12フィート、下端で13フィートで、広がる直前のフォアベイのすぐ前です。このフォアベイでは深さが17フィートに増加し、ラックでの幅は運河の2倍です。直径12フィートの鋼ペンストックはそれぞれラックの後ろ平均距離7フィートでフォアベイ壁で終わり、各ペンストックはその中心がフォアベイの水位の下10.6フィートです。この場合ダムによって作成された大きな池があり、運河での水の流れが速いより深いため、おそらくアンカーアイスがこの場合フォアベイに到達する前に表面に上がるのに十分な機会が与えられます。
メイン州ポートランドの照明と電力のためのエネルギーが引き出されるプレサンプスコット川のグレートフォールズの発電所のためのペンストックはそれぞれ直径8フィートで、ラックの後ろのフォアベイ壁を通り、その中心がフォアベイの正常水位の下15フィートです。フォアベイ壁の前では水が27フィート深く立ち、ダムによって形成された池は1,000フィート幅で非常に静かです。メインの気候が冬に非常に寒くプレサンプスコットがダムと池の上では乱流の川であるにもかかわらず、グレートフォールズ発電所でアンカーアイスにトラブルは一度もありませんでした。フォアベイの深い静かな水がこのようなアイスのトラブルに対する救済である事実の優れたイラストがこのように提示されます。
電気供給システムの最大負荷は通常、各24時間中の平均負荷の2倍から4倍です。純粋な照明サービスは平均と最大負荷間の大きな比率に向かい、ランプと一緒に大きなモーター容量は比率を減らす傾向があります。さらに、各24時間中の電気供給システムのエネルギー出力の大部分は正午と真夜中の間に供給されなければなりません。これらの理由で、川の正常な全流量を利用する場合、軽負荷の時期にエネルギーを吸収する蓄電池が使用されない限り、1日の重負荷の時間中に大きなシェアを担うために流れを望ましいように発電所に流すのに十分な水が貯蔵されなければなりません。
毎日の負荷の変動のための水を貯蔵するより電気エネルギーを貯蔵する方が通常はるかに安く、この貯蔵のための唯一の現実的な場所は最も一般的に発電所に水頭を維持するダムの後ろです。この貯蔵スペースは重負荷の時間中のそれへの排水が車輪の水頭を少ししか下げないほど大きくすべきです、さもなければ車輪と発電機のための標準回転速度を維持し、それにより伝送電圧を維持するのが難しいかもしれません。
[イラスト: FIG. 8.–ハドソン川のスピア・フォールズ上流の洪水した谷。]
グレート・フォールズ・プラントでは、日中の異なる部分の負荷変動を提供するための水貯蔵はダムの後ろで行われ、上流約1マイルである。このダムは主部分で450フィート長く、保持壁が総長を約1,000フィートに増加させる。この堤防とダムから上流半マイルの池の平均幅は1,000フィートで、最大深さは27フィート以上である。ステーション容量が主発電機で2,700馬力で、車輪の水頭が35フィートなので、貯蔵容量は1日の負荷変化全てに対して十分以上である。
ハドソン川のスピア・フォールズのダムは、岸間1,820フィート長く、最深部分で岩盤上155フィート高く、川を以前の水位より50フィート上げる。ダムの後ろに幅3分の1マイル、長さ5マイルの湖が形成される。この貯蔵貯水池からの水は80フィートの水頭でタービンを通って下り、32,000馬力を開発する。少しの計算で、この湖が毎日の負荷変動の下で水頭を維持するのに十分であることがわかる。モンタナ州ビュートとヘレナの電気エネルギーを開発するカニオン・フェリーでは、長さ480フィートのダムが上流約半マイル続く狭い峡谷で川を横断する。この峡谷の上では川谷が広がり、発電所の水頭30フィートを維持するダムがこの谷の水を押し戻し、幅2から3マイル、長さ約7マイルの湖を形成する。ステーションの発電機設備の合計定格は10,000馬力である。これらの数字から、この貯蔵湖がステーションがフル負荷で動作する際に正常水頭を数時間維持できることがわかるが、上流の川の流れがどれほど小さいかによる。
[イラスト: FIG. 9.–フーサトニック川のブルズ・ブリッジの運河。]
第VII章。
電動水力発電所の位置。
水力開発のコストは、運転される電動発電所の位置に大きく依存します。そのような発電所の形態、そのコスト、および使用される発電装置のタイプも選択されたサイトによって大きく影響されます。このサイトは車輪を通る水がその自然の経路から転用される地点で正確に、または遠く離れたかもしれません。
前者の種類の位置のユニークな例は、バーモント州バーリントン近くで見つかり、電動発電所はそれ自体ダムで、自然の川床を完全に横断し、その中心近くの島が川を2つの部分に分ける地点のウィヌースキ川の1つの腕です。この地点の川は固い岩を通って道を切り、その両側に垂直の壁を残します。川の床を形成する棚から上がり、岩の壁に入り、長さ約110フィートの発電所が建設されます。この発電所の upstream壁はダムの様式で建設され、下流壁によって強化され、水は車輪を通って発電所を直接流れます。このような構造は経済性の点でよく達成できるすべてで、運河も長いペンストックもなく、ダムから離れた発電所の1つの壁だけです。一方、川床をこのように直接横断する発電所の位置は、upstream壁がダムとして作用する場合に機械を保護するのが不可能です。このように考慮された独特の自然条件はめったに見つかりません。
[イラスト: FIG. 10.–バーモント州バーリントン近くのウィヌースキ川上の発電所。]
電動水力発電所のための最も一般的な位置の1つは、川の1つの側でダムの1つの端の正面でフォールズの足元に近いです。このような位置はマンチェスター、ニューハンプシャー州の電動システムに含まれる水力の1つであるグレッグズフォールズの発電所で採用され、フォールズの噴霧が発電所の屋根の上に上がります。直径10フィートの2本の短い鋼ペンストックがフォアベイセクションのダムから発電所の車輪に水頭51フィートで水を運びます。
[イラスト: FIG. 11.–ミシガン州ブキャナンのセントジョセフ川の運河と発電所。]
類似の位置は、メイン州ポートランドに電気エネルギーを供給するプレサンプスコット川のグレートフォールズの発電所で選択されました（カットを参照）。長さ数フィートでそれぞれ直径8フィートの4本の鋼ペンストックがこの場合ダムのフォアベイセクションから発電所の車輪ケースに水を運びます。
[イラスト: FIG. 12.–ニューヨーク州メカニクスビルのハドソン川上の発電所。]
発電所がちょうど説明されたようにダムの足元に位置する場合、フォアベイ壁として機能する部分は通常各ペンストックのヘッドゲートを持ちます。ちょうど述べられた2つのケースのような場合でオーバーフォールセクションのダムが壊れる場合、発電所を必ずしも破壊せずにですが、洪水や非常に高い水の時期に発電所が洪水しその運転が停止されるかもしれません。そのような洪水のリスクは異なる川で大きく変わり、特定のケースでは非常にわずかかもしれません。発電所をダムの1つの端の足元に近い位置づけは明らかに運河のためのすべての費用を避けペンストックのコストを非常に低い数字に削減します。
そのような発電所の位置は任意の特定の高度のフォールズに限定されず、短いペンストックは通常ダムのトップよりそのベースに近く入り、水平からわずかな傾斜で発電所に通ります。上記のグレートフォールズでは水頭は37フィートです。
ダムから少し下流の好ましいサイトで終わる短い運河が一部の場合ダムの1つの端から建設されます。このような構造はマサチューセッツ州スプリングフィールドに供給されるエネルギーのチコピー川のバーチェムベンドフォールズで採用されました。これらのフォールズは水頭14フィートを提供し、水車は端の開放運河の床に位置します。発電所はこの運河の岸側にあり、水車の軸は運河壁のブッシングを通って、発電所の1つの側の低い部分を形成し、内部の発電機に接続します。
この水車のやや珍しい位置は少なくとも発電所内部に部屋を必要としない明らかな利点を持ちます。さらに、運河が発電所と川の間にあるため、運河の破断は発電所を洪水しない傾向があります。
[イラスト: FIG. 13.–ペンシルベニア州サスケハナ川のヨークヘブン発電所。]
ダムからの非常に短い運河を使用して水を運ぶ例はモンタナ州のカニオンフェリーの10,000馬力発電所に存在し、水頭は30フィートです。この場合の石造りの運河は発電所より少し長く、この後者は運河と川の間に正方形に座り、事実上フォールズの足元です。同じ種類の他の例は水頭16フィートのニューハンプシャー州コンコードで、水頭32フィートのメイン州ルイストンで、水頭80フィートのニューヨーク州ハドソン川上のスピアフォールズで見られます。
多くの場合発電所をダムから数百フィート離れ主川チャネルの少し横に位置づけることでいくらかのセキュリティの利益があります。そのようなケースでは運河は減価償却と修理の項目を考慮すると鋼ペンストックより安いかもしれません。ダムの破断の場合の発電所のより大きなセキュリティの問題を除いて、多くの場合水をその自然の経路から離れる地点から発電所が位置づけられるべき地点まで大きな分数マイル、または数マイル運ぶことが必要です。例として、マサチューセッツ州スプリングフィールドで電動水力発電所の1つがチコピー川の36フィートのフォールズから下流約1,400フィートに位置づけられるのは、電動発電所が建設された時にフォールズに近い土地がすべて占められていたからです。
[イラスト: FIG. 14.–ミズーリ川のカニオンフェリーの発電所。]
[イラスト: FIG. 15.–ショーニガンフォールズ発電所。]
カナダのセントモーリス川のショーニガンフォールズは短い距離離れた2つの地点で発生し、1つの地点の落差は約50フィートで他のものは100フィートです。長さ1,000フィートの運河が上部のフォールズの上から水を取り、下部のフォールズの下の川岸の発電所近くに供給します。この方法で発電所で125フィートの水頭が得られます。この場合の運河は発電所から130フィートの高い地面で終わり、水は直径9フィートの鋼ペンストックを通じて車輪に下ります。
[イラスト: FIG. 16.–オレゴン州ホワイト川の発電所。]
水がその自然の経路から転用される地点から発電所が位置づけられる必要がある条件のもう一つの興味深い例は、ミネソタ州セントポールにエネルギーが伝送されるアップル川のフォールズで見られます。自然の落差30フィート、ダム47フィート高さの上流のある距離、そして川のいくつかの急流により、合計落差82フィートを得ることができました。この全落差を利用するために、ダムから発電所近くの地点まで長さ1,550フィートの木材の樋が建設されました。樋は発電所近くの川岸の下のフォールズと急流の下にありました。樋は長さ313フィートで直径12フィートの鋼ペンストックによって82フィート下の車輪に接続されました。
セントメアリーズ川がスペリオル湖を離れると長さ約半マイルの一連の急流を通り、その距離で20フィート落ちます。この大きな水量の電力を利用可能にするために、湖から急流の下の川岸の地点への長さ13,000フィートの運河が掘削されました。運河の端と川の間には発電所が座り、ダムとして機能し、水は20フィートの水頭の下でそれと車輪を通って下ります。
[イラスト: FIG. 17.–ミシガン州スーセントマリーの運河を横断する発電所。]
セントローレンス川からの長さ16,200フィートの運河により、水頭50フィートに相当する水がニューヨーク州マッセナ近くのグラス川の岸の地点で利用可能になりました。再び発電所はダムとして機能し、運河の水はそれを通って川に到達します。
[イラスト: FIG. 18.–アイダホ州ペイエット川の運河と発電所。]
これらのイラストから、比較的平坦な国では水力が人工のチャネルを通じて数マイル運ばれる水で完全に開発されるだけであることがわかります、そして発電所はその水が転用される地点に位置づけられません。
これまで考慮されたケースは中程度の水頭とかなり大きな水量のものだけです。川が比較的小さくその経路が多数のフォールズと急流でマークされる山岳地帯では、川の電力を満足できる開発を効果的にするためその長さの数マイルを通る落差を利用するのが一般的に必要です。この結果に到達するために、かなり長い運河、樋、またはパイプラインが水を発電所に運び高圧で供給するために利用されなければなりません。
このようなケースでは運河またはパイプラインのコストが電力開発の最大の項目で、このコストを削減または避けるために1つの大きなもののかわりにいくつかの小さな発電所を立てるかどうかは重要な質問です。カリフォルニアは人工のチャネルを通じて数マイル運ばれた水で電動電力開発の多数の例を提供します。このクラスの作業のイラストはシエラネバダ山脈のモケルムネ川の岸のエレクトラ発電所に存在します。水はこの発電所の車輪に水頭1,450フィートの下で近くの丘のトップに導く長さ3,600フィートの管を通じて供給されます。この丘に到達するために、水はダムでのモケルムネ川からの転用の後、運河または溝を通じて20マイル流れ、次に3,000フィートの木製スタブ管を通ります。
同じ種類のもう一つの例は上記の山脈のノースユバ川のコルゲートの発電所で見られます。この川から取られた水はほぼ8マイルの長い木製樋を通って発電所の上700フィートの丘の側に通り、そこから直径30インチの鋼と鋳鉄管、5本を通じて車輪に下ります。
長い樋、運河、およびパイプラインでも、単一の川に沿って多くの発電所を位置づけその全電力を利用するために必要です。このようにシエラネバダ山脈で生まれツラレ湖に注ぐカーン川では、2つの電動発電所が建設中で、3つ以上への測量が行われています。これらの発電所のうち、最低レベルのものは水頭872フィートの下で運転され、この水はその転用後の川から合計長さ約10マイルの21のトンネルと合計長さ1,703フィートのトレッスルに取り付けられた6つの樋を通ります。
上流のすぐ次はちょうど名付けられた発電所のために水が転用される地点近くの発電所です。この第2の発電所は水頭317フィートの下で働き、それのための水はさらに上流の地点から運河、トンネル、および樋で合計長さ11.5マイルです。この川のさらに高い3つの地点で他の3つの発電所をそれぞれ長さ約12.5、15、および20マイルの人工のチャネルで水を導く意図です。
カリフォルニアのさらに南では、ミルクリークに注ぐサンタアナ川とミルクリークで、ちょうど示されたラインで広範な電力開発が行われました。ミルクリークでは、レッドランズの都市から約6マイルで電動発電所が水頭530フィートの下で運転され、水は上流少し下の2マイル未満から転用された部分で長さ10,250フィートで直径30インチの鋼管を通じて下ります。このパイプラインはその上端のもう一つの発電所の尾レースからも水を取ります。いくつかの追加と修正で、ちょうど説明された発電所は1893年に建設された有名なレッドランズ発電所で、アメリカで三相伝送のための最初のものと信じられています。
[イラスト: FIG. 19.–ネヴァーシンク川の運河と発電所、ニューヨーク。]
ちょうど名付けられたパイプラインの上端で第2の発電所は部分的に働き、水は同じクリークからトンネル、樋、およびセメントと鋼管の組み合わせで合計長さ約3マイルで引き出され、いくつかの車輪に水頭627フィートで供給されます。この発電所の他の車輪は同じクリークから長さ約6マイルのパイプラインで引き出された水を受けます。このラインの大部分は溝とトンネルに敷設された31インチのセメント管で構成されます。発電所に近い8,000フィートの管の水は1,960フィートの落差を持ち、この管は鋼で直径24と26インチです。1,960フィートの水頭、鋼管での摩擦損失を引いて、車輪で供給されます。
前述から、ミルクリークに沿った8マイルの空間で2,490フィート以上の落差があることがわかります。この落差を利用するために、水は6マイル以内の3つの地点でクリークから転用され、3つの異なる水頭の下で2つの発電所で供給されます。川が上部と下部の取水口の間で体積を集めるため、等量の電力は3つの別々の導管またはパイプラインをそれに取りそこで3つの水頭でその水を供給する場合にのみ単一の発電所で開発されたでしょう。
導管とパイプラインを単一の発電所に延ばす費用がそれにより得られる利点を相殺する以上かどうかは各ケースで変わる多くの要因で決定されるべき質問です。一般的に、水の量が小さいほどその水頭が大きく、発電機械を最小の現実的な数の発電所に集中するのが有利です。
メキシコシティの15マイル以内にその電気システムにエネルギーを供給する5つの水力発電所があります。これらの発電所の2つはモンテアルト川に、3つはトラルネパントラ川にあり、2つの前者の発電所は約3マイルで、3つの後者のうちより遠いものは5マイル離れています。各川の最高発電所の上のある距離で水は運河で転用され、これらの運河のそれぞれの水は最高発電所の車輪を通った後、同じ川の残りの発電所または発電所に運河の継続で通ります。
[イラスト: FIG. 20.–パイクスピーク発電所への木管ライン。]
発電所をそのような短い距離離して置くことで各発電所の水頭が減らされます。1つの川ではこれらの水頭はそれぞれ492と594フィートで、他の川の2つの発電所ではそれぞれ547と295フィートです。各川が提供する総水頭のこの分割は各発電所の容量をかなり小さくし、5つの発電所の合計はわずか4,225キロワットです。
この数字と対比して、すでに述べられたエレクトラ発電所は容量10,000キロワットの発電機を持ち、サンタアナ発電所は3,000キロワットの発電機を持ち、2つのミルクリーク発電所の大きい方は容量3,500キロワットの発電機を持ちます。運用コストと元の建設のコストは合計容量が等しい1つの大きな発電所といくつかの小さな発電所の間で実質的に変わり、運用コストの利点は明らかに1つの大きな発電所です。
[イラスト: FIG. 21.–グレートフォールズの発電所、プレサンプスコット川。]
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11/10 Electric Transmission of Water Power 全文翻訳
兵頭様
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タイトル：水力の電気伝送
著者：アルトン・D・アダムズ
公開日：2015年2月1日 [電子書籍 #48134]
最近の更新：2024年10月24日
言語：英語
クレジット：クリス・カーノウ、ロバート・モース、ハリー・ラメ、およびhttp://www.pgdp.netのオンライン分散校正チームによって制作
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マグロウヒル・ブック・カンパニー発行
ニューヨーク
マグロウ出版会社の書籍部門の後継者
ヒル出版会社
書籍の出版者
エレクトリカル・ワールド エンジニアリング・アンド・マイニング・ジャーナル
エンジニアリング・レコード パワー・アンド・ジ・エンジニア
エレクトリック・レールウェイ・ジャーナル アメリカン・マシニスト
水力の
電気伝送
著
アルトン・D・アダムズ、A.M.
アメリカ電気工学協会会員
ニューヨーク
マグロウヒル・ブック・カンパニー
1906
1906年に著作権所有
マグロウ出版会社
ニューヨーク
目次
章 ページ
I. 水力の電気供給における役割 1
II. 水力の電気供給における有用性 10
III. 電力伝送のための導体のコスト 19
IV. 直流と交流の利点 31
V. 電力伝送の物理的限界 44
VI. 電気発電所のための水力開発 51
VII. 電気水力発電所の位置 64
VIII. 電気水力発電所の設計 83
IX. 電気伝送のための交流発電機 103
X. 伝送システムにおける変圧器 122
XI. スイッチ、ヒューズ、および回路遮断器 135
XII. 伝送電力の調整 155
XIII. 保護線と避雷器 168
XIV. 陸上および水中での電気伝送 187
XV. 線路導体の材料 200
XVI. 伝送線路の電圧と損失 215
XVII. 伝送回路の選択 233
XVIII. 電力伝送のためのポールライン 246
XIX. 電気伝送線路の入り口 261
XX. 絶縁体ピン 270
XXI. 伝送線路のための絶縁体 287
XXII. 伝送線路のための絶縁体ピンの設計 298
XXIII. 鋼鉄塔 306
索引 327
水力の電気伝送。
第1章。
電気供給における水力。
伝送された水力からの電気供給は、現在、北米の50を超える都市で配布されています。これには人口402,000人のメキシコシティ、352,387人のバッファロー、342,782人のサンフランシスコが含まれます。266,826人のモントリオール、そして10万から20万の人口を持つロサンゼルス、セントポール、ミネアポリスです。これらの都市は、北はケベックから南はアンダーソンまで、西はシアトルからメキシコシティまで広がっています。東西では、ポートランド、スプリングフィールド、アルバニー、バッファロー、ハミルトン、トロント、セントポール、ビュート、ソルトレイクシティ、サンフランシスコの連鎖です。これらの都市に到達するために、水力は電気的に伝送され、多くの場合数十マイル、数多くの場合数十マイル、そして1つのケースでは200マイル以上です。東部では、カナダが最長の伝送の場所で、ショーニガンフォールズからモントリオールまで85マイルです。
スピアフォールズからアルバニーまでの電動線は40マイルの長さです。ハミルトンはナイアガラの絶壁上のその地点から37マイルで、そこから電動電力が開発されます。セントポールとその電動水力発電所であるアップルリバー間の伝送線は25マイルの長さです。ミズーリ川のカニオンフェリーの滝は、65マイル離れたビュートの電気エネルギーの源です。ロサンゼルスはサンタアナ川上の83マイル離れた発電所から電気エネルギーを引き出します。コルゲート発電所からユバ川上、サンフランシスコまで、ミッションサンホセ経由で伝送線は220マイルの長さです。エレクトラ発電所からシエラネバダ山脈で、サンフランシスコまでの電動線で154マイルです。
[イラスト: FIG. 1.–スピアフォールズ伝送線。]
これらの伝送は、長距離だけでなく大きな電力も含みます。アンドロスコギン川上の新しい発電所は、メイン州ルイストンで10,000馬力の電気供給を届けるよう設計されています。ハドソン川上のスピアフォールズでは、アルバニーや他の都市にエネルギーを送る電動発電機の容量は32,000馬力です。ナイアガラフォールズの2つの水力発電所から、5,000馬力ずつの21台の電動発電機で合計105,000馬力以上、30,000馬力以上がバッファローだけに定期的に伝送されます。容量の大部分は地元産業に充てられます。セントポールの電気供給は4,000馬力の水力発電所から、ミネアポリスのそれは7,400馬力の容量の類似発電所から引き出されます。ヘレナとビュートの両方に電気エネルギーを供給するミズーリ川上のカニオンフェリー発電所は10,000馬力の容量です。シアトルとタコマの両方はスノクアルミーフォールズの8,000馬力発電所から電気供給を引き出します。サンフランシスコと数多くの小さな場所にエネルギーを開発するコルゲート発電所は、合計15,000馬力の電動発電機の容量です。エネルギーもサンフランシスコや途中の他の都市に伝送されるエレクトラ発電所では、容量は13,330馬力です。ロサンゼルスの電気供給はサンタアナ川上の4,000馬力の発電所から、そしてミルクリーク上の2つの発電所から合計4,600馬力で、合計少なくとも8,600馬力の容量です。半径10マイル以内に散在する5つの水力発電所で合計4,200馬力の容量が、メキシコシティの電気供給の源です。
上記は、数百万の人口に数百千馬力の電力を生成する落下水が電気供給のために数百千馬力を生成するその開発の、より印象的な例の一部です。この大規模な水力の遠方の都市の産業ニーズへの適用は、ほとんど10年ほど前です。10年前、ショーニガンフォールズはカナダの荒野のほとんど聞かれない地点でした。スピアフォールズは単なる景色の興味の場所でした。カニオンフェリーのミズーリはランプを点灯したり、石炭の1ポンドを置き換えたりしていませんでした。シエラネバダ山脈の落下水がサンフランシスコの街路を照らし、電動車を運転するようには思えませんでした。そして、現在水が落ちる絶壁を乾燥させる運命のナイアガラの転用は、まだ始まっていませんでした。町や都市に水力が位置する場合のいくつかの例では、産業の初期から電気供給に適用されています。しかし、主に、水力からの電気エネルギーの供給は、長距離伝送によってのみ可能になりました。水力のための電気伝送の拡張半径は、それらの開発への最大のインセンティブを形成しました。この開発は、電気供給を制限する条件に反応し、その適用の分野を大幅に拡張しました。伝送された水力は、電気サービスの料金を削減しました。これを純料金の数字で証明するのは簡単ではないかもしれませんが、なぜならこれらは一般に公開されていないからです。しかし、結論に達する他の手段があります。
[イラスト: FIG. 2.–スノクアルミーフォールズ伝送線。]
照明の分野では、電力はガスと直接競争し、原動力の分野では石炭と競争します。過去10年間、ガスの価格が大幅に低下し、石炭の価格が（最近のストライキ期間を除いて）確かに上昇していないことはよく知られています。これらの削減にもかかわらず、水力からの電気供給は多くの場合ガスと石炭の両方を置き換えました。
さらに、電動水力システムの拡大は、一般に蒸気駆動発電所のそれよりもかなり大きくなりました。この事実の例は、メイン州ポートランドで見られます。1899年の春、約13マイル離れた水力からその都市で電気エネルギーを伝送・配布する会社が設立されました。その日付の前後数年間、ポートランドには蒸気動力設備の広範な電動システムが存在していました。これにもかかわらず、1903年1月1日、水力を使用するシステムは、352個の密閉アークと20,000個の白熱灯の接続負荷、ならびに835馬力のモーターを持っていました。
蒸気で運転されるものと電動水力システムの拡大を比較すると、ハートフォードとスプリングフィールドを一方に、フォールリバーとニューベッドフォードを他方に取ることができます。ハートフォードでの水力の電気供給の使用は1891年11月に始まり、それ以来増加して続いています。同じ期間、フォールリバーの電気供給は蒸気から独占的に得られています。1890年のハートフォードの人口は53,230人で、1900年には79,850人、50パーセントの増加です。10年の初めにフォールリバーは74,398人の人口で、終わりには104,863人、40.9パーセントの上昇です。1892年のフォールリバーの電動供給システムの接続負荷には451個のアークと7,800個の白熱灯、ならびに140馬力のモーターが含まれていました。1901年までにこの負荷は1,111個のアーク、24,254個の白熱灯、600馬力のモーターに増加しました。1892年のハートフォードの電動供給システムは800個のアーク、2,000個の白熱灯、そしてモーターなしを供給していました。伝送された水力の使用の9年後、1901年のハートフォードシステムの接続負荷は1,679個のアーク、68,725個の白熱灯、3,476馬力のモーター容量を含むようになりました。10年の初めにハートフォードは白熱灯とモーターの両方でフォールリバーよりはるかに遅れていましたが、終わりにはハートフォードは白熱灯のほぼ3倍、接続モーターの容量のほぼ6倍でした。1900年のフォールリバーの人口がハートフォードの人口より31パーセント大きかったこと、そして10年間の増加パーセントが前者の都市でわずか9.1低いだけだったことを考えると、水力は後者の電動負荷の上昇の最も強力な要因のように見えます。ハートフォードでの電動の増加はガスの競争の不在によるものではなかったでしょう、なぜなら1901年のガスの価格は1,000立方フィートあたり1ドルで、フォールリバーの同量で1.10ドルだったからです。
スプリングフィールドでの水力の電気供給の使用は1897年の後半に始まりました。その年、スプリングフィールドの電動システムの接続負荷には1,006個のアーク、24,778個の白熱灯、647馬力のモーターが含まれていました。5年後の1902年には、この接続負荷は1,399個のアークランプ、45,735個の白熱灯、電動モーターの1,025馬力の容量に上昇しました。ニューベッドフォードでは、1897年に電動システムは406個のアークと22,122個の白熱灯、ならびに298馬力の定格モーターを供給していました。この負荷は、1902年に488個のアーク、18,055個の白熱灯、電動モーターの容量で432馬力に変わりました。上記の数字から、ニューベッドフォードで82個のアークランプが追加された一方、スプリングフィールドでは393個のそのようなランプが追加されたことがわかります。ニューベッドフォードの電動負荷がモーターの134馬力増加した一方、スプリングフィールドの類似増加は378馬力で、前者の都市が白熱灯の負荷から4,067個を失った一方、後者は20,957個のこれらのランプを獲得しました。これらの変化のすべてを通じて、スプリングフィールドの電気供給は主に水力から来ており、ニューベッドフォードのそれは蒸気の産物でした。スプリングフィールドの人口は1890年に44,179人で、1900年に62,059人、40.5パーセントの増加です。これらの年の早い方でニューベッドフォードは40,733人の人口で、後で62,442人、53.3パーセントの増加です。1902年のスプリングフィールドのガスの平均価格は1,000立方フィートあたり1.04ドルで、ニューベッドフォードでは1.18ドルでした。
スプリングフィールドには繁栄したガスシステムがあり、1902年のガス販売からの総収入は1897年より31パーセント大きくなりました。この同じ5年間、販売された電気エネルギーの総収入は、水力で大部分開発され、47パーセント増加しました。一般的な不況の5年間、1897年に終わるスプリングフィールドのガス販売の総年収はわずか5パーセント上昇し、類似の電動収入は9パーセント上昇しました。最後に述べた5年間、電気供給システムは石炭で運転されました。
過去10年間の電気供給における水力の適用は、この方向へのはるかに大きな動きの道を準備しました。現在、アルバニー、トロント、シカゴ、デュルース、オレゴン州ポートランド、サンフランシスコ、ロサンゼルス、そして他に名付けられる数十の都市への水力の電動伝送のための作業が、初めてまたはより大きな量で進行中です。
もう10年で、アメリカ大陸の電気供給の大部分が水力から引き出されるでしょう。
水力からの電気供給を持つ都市。
+——————+—————–+————–+———–+
| |水力から都市まで | 水力駆動の | |
| 都市 | のマイル | 発電所の馬力 | 人口 |
+——————+—————–+————–+———–+
|メキシコシティ | 10〜15 | 4,200 | 402,000 |
|バッファロー | 23 | [A]30,000 | 352,387 |
|モントリオール | 85 | — | 266,826 |
|サンフランシスコ | 147 | 13,330 | 342,782 |
|ミネアポリス | 10 | 7,400 | 202,718 |
|セントポール | 25 | 4,000 | 163,065 |
|ロサンゼルス | 83 | 8,600 | 102,479 |
|アルバニー | 40 | 32,000 | 94,151 |
|ポートランド、オレゴン| — | — | 90,426 |
|ハートフォード | 11 | 3,600 | 79,850 |
|スプリングフィールド、マサチューセッツ| 6 | 3,780 | 62,059 |
|マンチェスター、ニューハンプシャー| 13.5 | 5,370 | 59,987 |
|ソルトレイクシティ| 36.5 | 10,000 | 53,531 |
|ポートランド、メイン| 13 | 2,660 | 50,145 |
|シアトル | — | 8,000 | 80,671 |
|ビュート | 65 | 10,000 | 30,470 |
|オークランド | 142 | 15,000 | 66,900 |
|ルイストン、メイン| 3 | 3,000 | 23,761 |
|コンコード、ニューハンプシャー| 4 | 1,000 | 19,632 |
|ヘレナ、モンタナ | 20 | — | 10,770 |
|ハミルトン、オンタリオ| 35 | 8,000 | |
|ケベック | 7 | 3,000 | |
|デールズ、オレゴン| 27 | 1,330 | |
+——————+—————–+————–+———–+
[A] 受電電力。
上記では、各水力から供給される最大の都市のみが名付けられています。
したがって、同じ伝送システムはアルバニー、トロイ、スケネクタディ、サラトガ、そして数多くの小さな場所に入ります。
第II章。
電気供給における水力の有用性。
比較的少ないシステムでは、利用可能な水力が1日のすべての時間帯および1年のすべての月を通じて全負荷を担うのに十分であるため、どれだけの燃料を節約できるかという問題は、多くの発電所にとって不確実なものです。また、水力の開発はしばしば多額の投資を伴い、節約された燃料の価値を上回る固定費の負担を生む可能性があります。
これらの相反する意見や要因にもかかわらず、電気システムにおける水力の適用はこれまで以上に急速に進んでいます。水の利用可能な流量によって測定される燃料の節約が、その唯一の利点である場合、この電力が利益をもたらして利用できるケースの数は比較的少ないでしょう。一方、川を下るすべての水を電気仕事に活用でき、この水の利用が石炭費の削減とほぼ同等またはそれ以上に大きな他の利点を持つ場合、多くの水力は開発を待つだけで所有者に利益をもたらすでしょう。
この問題のどの部分も、水力の開発に関連する初回コストとその後の固定費ほど不確実なものはありません。実際の状況を明らかにするために、1つまたは複数の発電所の詳細な事実が、広範なケースをカバーする単なる一般的な声明よりも価値があるかもしれません。
ある小さな川で、14フィートの落差を利用できる地点のすべての水利権が数年前に取得されました。この地点では、頑丈な石とコンクリートのダムが建設され、石とレンガの水力発電所もコンクリート床と鋼トラス屋根で建てられました。この発電所には、合計800キロワットの電動発電機が設置され、水平タービンホイールに直接接続されています。水力水利権を確保するために必要な不動産の総コストとすべての改良のコストは約130,000ドルでした。異常な低水位の時期を除いて、800キロワットの発電機をフル負荷で駆動するのに十分以上の水力が利用可能であると推定されました。この発電所では、水力サイトの投資、開発、および完全な設備は、設置された発電機容量のキロワットあたり162ドルでした。
低水位の65日を考慮すると、これらの800キロワット容量の発電機は年間300日稼働可能です。稼働時間が1日平均10時間でフル負荷の場合、年間に供給されるエネルギーは2,400,000キロワット時です。総投資の10パーセントは利子と減価償却費をカバーするのに十分で、これは年間13,000ドルに相当します。これにより、この発電所での仮定されたエネルギー出力に対する初回投資の利子と減価償却の項目は、キロワット時あたり0.54セントの料金を表します。このエネルギーは数マイル伝送され、大都市の電気供給システムで使用されます。
別の川では、岩の棚の間で20フィート以上の落差が得られ、2,000馬力以上が開発できる地点のすべての水利権が約4年前に確保されました。この地点では、石造りのダムとレンガの発電所が建設され、水平タービンホイールが設置され、合計1,500キロワットの電動発電機に直接接続されました。この場合、不動産、水権、ダム、建物、および設備の総コストは約250,000ドルでした。
前述のように、発電機が年間300日、1日10時間フル容量で稼働可能と仮定すると、この発電所が供給するエネルギーは年間4,500,000キロワット時です。この場合、総投資に対する利子と減価償却の10パーセントの許容額は年間25,000ドルで、予想される出力のキロワット時あたり0.56セントです。この発電所からのエネルギーは伝送され、大規模な電気供給システムで使用されます。
水の不足や、水やエネルギーを必要でないときに貯蔵できない場合により、発電機が上記の仮定された平均時間でフル容量で稼働できない場合、供給されたエネルギーの単位あたりの利子と減価償却の項目は計算されたものより高くなります。この項目の可能な数字がキロワット時あたり0.6セント未満であるため、禁止的になる前にいくらかの増加の余地があります。最後に述べた発電所では、総投資は接続された発電機容量のキロワットあたり166ドルで、前者のケースの162ドルと比較され、これらの数字は有利な条件下で小さな川での一流の方法での水力開発の代表的なものとして取ることができます。両方の事例で発電所はダムにかなり近いです。長い運河やパイプラインを建設して水を運ぶ必要がある場合、開発の費用は大幅に増加する可能性があります。
水力の蒸気力に対する1つの利点は、与えられた容量の発電所の建物が前者の方が小さいコストであることです。水車で駆動される直接接続電動発電機のための建物は、比較的小さく単純です。燃料、ボイラー、エコノマイザー、給水ヒーター、凝縮器、蒸気配管、およびポンプのためのスペースは、水力が使用される場合に必要ありません。機械ドラフトのための煙突や装置は必要ありません。
水力で運転されるモデル電動発電所は、通常、地下室のない単一の部屋で構成されます。そのような発電所の一つは床寸法27 x 52フィートで、面積1,404平方フィートで、800キロワットの容量の発電機を含みます。これにより発電機のキロワットあたり1.75平方フィートの床スペースが得られます。この発電所には、機械の設置や撤去を含むすべての目的のための十分なスペースがあります。
燃料の節約に次いで、水力の最大の利点は、使用される発電所での労働力の要件が比較的小さいことです。これは実際の例でよく示されます。大都市の電気供給に貢献する現代の水力発電所では、発電機容量は1,200キロワットです。この発電所のほぼ24時間1日の運転に関連するすべての労働は、交代シフトで働く2人の係員によって行われます。
これらの係員は電動会社の所有する家に発電所の近くに住み、家賃に加えて月額60ドルずつ受け取ります。場所を考慮すると、家賃の許容額は月額12ドルで十分でしょう。これにより、この発電所での労働力の運用総費用は月額132ドル、または年間1,584ドルになり、これは発電機容量のキロワットあたり年間1.32ドルに相当します。
上記の容量程度の蒸気発電所で、24時間毎日稼働する場合、発電機のキロワットあたり労働力の年間コストは約6ドルです。これにより、水力発電所は容量の単位あたり蒸気発電所で必要な労働費用の4分の1未満で稼働可能であることがわかります。平均的に、蒸気力で駆動される電動発電所の燃料と労働の組み合わせコストは、総運用コストの76パーセント少し超えます。この総額のうち、労働は約28パーセント、燃料は約48パーセントを表します。水力は燃料を排除し、労働費の4分の3を排除することで、電動発電所の運用費用を完全に69パーセント削減します。
しかし、この電動発電所の運用費用の大きな節約は、水が石炭を完全に置き換える場合にのみ可能です。一部水力と一部石炭が使用される場合、結果はそれぞれの割合に依存し、水力容量の変動によって明らかに大きく影響されます。そのような混合システムでは、水力によって達成される節約はまた、1日のすべての時間でそのエネルギーを吸収できる程度に依存します。水力を使用する電動発電所の大部分は、1年のいくつかの月または1日のいくつかの時間、または両方で蒸気も使用せざるを得ません。
[イラスト: 水力電動発電所からのエネルギー曲線。
FIG. 3.]
したがって、3つの質問に対する答えを可能な限り決定することが非常に重要です：
第一に、1年のいくつかの月における水力の容量にどのような変動が予想されるか？
第二に、1日の水の流量が1日の電気エネルギーの出力に等しい場合、水力はどの程度そのエネルギーの開発に充てられるか？
第三に、中程度の高水位の時期にすべての電気負荷を担うのに十分な水力で、一般供給システムの年間エネルギー出力の何パーセントを水から得られるか？
これらの質問の最初のものに対する答えは、経験だけが提供できます。1年の異なる月における川の放流量の変動は非常に大きいです。優れた工学技術でレイアウトされた発電所では、水の貯蔵のための何らかの備えがなされ、発電設備の容量は最高と最低の放流率の間の何らかの点に対応します。
反対側のページの図の曲線No.1は、1901年の12ヶ月間、小さな川から完全に水力で駆動される電動発電所のエネルギー出力を表します。この川の全流量が利用されています。1901年12月のこの発電所の出力は527,700キロワットで、1年の他のどの月よりも大きかったです。この出力を100パーセントとして、曲線は他の各月の供給エネルギーが達成したパーセントを示すためにプロットされています。曲線の最低点、2月に対応する出力は12月のわずか33パーセント少し超でした。1年の他の9ヶ月では、12月のエネルギー出力に対する割合は60を超え、3ヶ月では80パーセントを超えました。12ヶ月で月平均のエネルギー供給は12月の73.7パーセントでした。
1901年の異なる月における供給エネルギーのパーセント。
1月 68.0
2月 33.1
3月 80.5
4月 81.7
5月 77.9
6月 58.6
7月 67.7
8月 75.8
9月 79.3
10月 65.9
11月 95.8
12月 100.0
もう少し小さな水力発電所で、ちょうど考えられた川よりも傾斜の少ない流域を持つ別の川で、1900年6月30日終了の12ヶ月間に以下の結果が得られました。この発電所では、最大の月間エネルギー出力は11月で、これを100パーセントとします。最小のエネルギー供給は10月で、パーセントは11月の量の53.1でした。1年の他の7ヶ月それぞれでエネルギー出力は11月の80パーセント以上でした。3月、4月、5月、6月では、水力は接続された電気供給システムで必要なすべてのエネルギーを供給し、必要ならもっと仕事ができたでしょう。12ヶ月で月平均のエネルギー供給は最大出力の月の11月の80.6パーセントでした。
1899年と1900年の異なる月における供給エネルギーのパーセント。
7月 68.6
8月 69.1
9月 73.3
10月 53.1
11月 100.0
12月 87.0
1月 84.9
2月 91.3
3月 98.5
4月 85.7
5月 80.8
6月 74.9
この第2の川のより緩やかな傾斜とより良い貯蔵施設は、最大だった月の出力に対する平均月間エネルギー供給が、水力で最初に考えられたものより6.9パーセント高い効果を示します。これらの2つの水力は、関連する川の非常に穏やかな貯蔵容量だけで何ができるかを示します。両方の発電所で、多くの水が各年の数ヶ月間にダムの上を逃げます。これらの川のすべての水を必要になるまで保持するのに十分な貯蔵スペースがあれば、エネルギー出力は大幅に増加するでしょう。
曲線No.2の検査でわかるように、第2の水力は曲線No.1で示された水力よりも容量の変動が小さく、最大出力の平均パーセントが高いです。
1日の各24時間における川の放流量がその時間に供給システムで必要な電気エネルギーを開発するのにちょうど十分である場合、水は2つの方法のうちの1つですべての電気仕事をさせることができます。水力が1日のいくつかの時間に余剰の水を保持するのに十分な貯蔵容量を持つ場合、最大負荷を担うのに十分な水車と電動発電機を設置するだけで十分です。水の貯蔵容量が不足するか、発電装置の設備が電気システムによって要求される最大レートで働くのに不十分である場合、すべての水を利用し、電気仕事をさせるためには電動蓄電池を使用する必要があります。
電動照明発電所での最大と最小の日負荷間の最大の変動は通常12月と1月に発生します。これらの変動の程度は、曲線No.3で示され、これは1901年1月の典型的な平日における大規模な電気供給システムの総負荷を表します。この日、最大負荷は2,720キロワット、最小負荷は612キロワット、または最高出力の22.5パーセントでした。問題の日、24時間の総エネルギー供給は30,249キロワット時で、時間あたりの平均負荷は1,260キロワットでした。この平均は最大負荷の46パーセントです。
曲線No.3に含まれる面積の計算で、1日の総エネルギー出力の約17.8パーセントが平均負荷線1,260キロワットの上に供給されたことがわかります。つまり、平均負荷での出力に加えてです。この平均負荷線の上へのエネルギー供給は1日の12.3時間に行われ、時間あたりの平均供給レートは438キロワットでした。
1日24時間1,260キロワットの負荷を担うのに十分な水力が曲線No.3で示されたシステムに適用される場合、1日の水のエネルギーの約17.8パーセントは11.7時間に貯蔵され、残りの12.3時間に解放されなければなりません。この総日エネルギー水のパーセントは、貯蔵が行われる時間中のエネルギーの36パーセントに相当します。
すべての貯蔵が水で行われる場合、電動発電機は最大負荷の2,720キロワットで働くことができなければなりません。すべての貯蔵が電動電池で行われる場合、水の使用は1日中均一で、発電機容量は電池の損失を補うために1,260キロワット以上に十分でなければなりません。電池が使用される場合、電池の損失のため、水の量は発電機で負荷を直接運転するのに必要なものよりやや多くなります。
各24時間を通じた電気負荷の大きな変動にもかかわらず、平均負荷の要件を少し上回る水力でそれらを運転するのは比較的簡単です。
おそらく電気供給における水力の使用に関する最も重要な質問は、この電力が1年のうち一部で全負荷を担うのに十分である場合、年間エネルギー出力の何パーセントを水から得られるかということです。任意の季節の余剰水のための貯蔵エリアがあれば、川によってできる仕事の量は、その年間放流水の記録から直接計算できるかもしれません。そのような余剰水のための貯蔵エリアが電気システムに関連してほとんどまたは決して利用可能になっていないため、水力から得られる年間出力のパーセントに関する最良の保証は、既存の発電所の経験で見つかります。
今考慮される質問は、水力のいくつかの月における変動を伴うもの、または水力からの可能な年間出力さえも含むものとは本質的に異なります。水力からの出力と電気システムの総年間出力の比率は、各24時間の負荷変動の結果と異なる月における電気エネルギーの変動需要、ならびに季節を通じた水力利用可能量の変化を含みます。
これらの3つの重要な要因の組み合わせ結果を示すために、曲線No.4が構築されました。これは、2つの供給システムで水力から得られた電気エネルギーの総半年度出力のパーセントを示します。各半年は1月から6月まで、または7月から12月までを含み、湿季と乾季をカバーします。各半年はまた、照明のための電気エネルギーの最大と最小の需要の期間を含みます。最大の水供給の期間は通常、最重の照明負荷のそれとほぼ一致しますが、これは常に真実ではありません。
水力が各半年の少なくとも1ヶ月で電気負荷のほぼまたは完全に十分である電気システムが意図的に選択されました。水力からのエネルギーとシステムによって供給された総エネルギーのパーセントは、5つの半年のそれぞれで提示されます。3つの半年はそれぞれ7月から12月まで、2つはそれぞれ1月から6月までです。水力からのエネルギーの関係で66.8、80.2、および95.6のパーセントを示す半年は1つのシステムに関連し、水力からのエネルギーの81.97と94.3のパーセントを示す半年は別のシステムに関連します。
電気システムの出力の66.8パーセントが水力から得られた半年では、システムの総出力は3,966,026キロワット時でした。この半年の12月では、システムによって供給された電気エネルギーの98パーセント以上が水力からでしたが、6ヶ月の平均は水力からの66.8パーセントだけでした。
次の6ヶ月、1月から6月では、電気供給システムは4,161,754キロワット時を供給し、この量の水力が80.2パーセントを供給しました。ちょうど述べられた6ヶ月では、1ヶ月、5月で供給されたすべてのエネルギーの99パーセントが水力から得られました。
同じシステムは、次の半年、7月から12月、水力開発や設備の追加なしで、総エネルギー出力の95.6パーセントを水力から得、この出力は4,415,945キロワット時に相当しました。ちょうど述べられた半年の1ヶ月では、出力のわずか0.2パーセントが蒸気力で生成されました。
これらの3つの連続した半年は、単一の電気供給システムでの水力出力とエネルギー需要の比率の変動を示します。7月から12月の半年における水力から得られたエネルギーの81.9パーセントは、1ヶ月で水が供給されたすべてのエネルギーの94パーセントを生成した電気供給システムの総量に対する水からの出力の比率を表します。
同じシステムで、次の6ヶ月、正確に同じ水力設備で、水力からの出力のパーセントはシステムによって供給された総キロワット時の94.3でした。この結果は、2つの半年でのシステムの総出力が1パーセント未満で等しいという事実にもかかわらず達成されました。
これらの5つの半年の記録からの教訓は、異なる半年での電気供給システムの総出力に対する水力によって開発されたエネルギーのパーセントに比較的大きな変動が予想されるということです。しかし、これらの変動にもかかわらず、水力によって担われる電気負荷の部分は、都市や町での照明と電力への急速に拡大する適用を正当化するのに十分です。
第III章。
電力伝送のための導体のコスト。
エネルギーの電気伝送は、その開発とは全く異なる問題を含みます。大きな水力、または燃料が安い場所は、電気エネルギーを異常な低コストで生成する機会を提供するかもしれません。このエネルギーは、その開発の地点に非常に近いところで使用され、伝送のコストが別途考慮するには小さすぎるかもしれません。
伝送の重要な問題が存在しない条件の例は、ナイアガラの大規模な水力発電所周辺に集まった多数の工場で、それから電気エネルギーを引き出しているものです。そのような場合、エネルギーは水力で駆動されるダイナモから、変圧器を介して消費者のランプ、モーター、化学槽、および電動ヒーターに直接流れます。ここでは、伝送または配布設備のコストと損失は、エネルギーの開発と比較して小さな事項です。
水力からのエネルギーが多くのマイルの距離に伝送される場合、新しい一連のコストに直面します。まず、伝送線のための導体の重量とコストを節約するために、伝送されたエネルギーの電圧をダイナモの圧力よりはるかに上げることが必要です。この電圧の増加は、線にエネルギーを供給する変圧器を必要とし、その容量はエネルギーが線に供給される最大レートに等しいです。これらの変圧器は、熱を形成するためのエネルギーの一部の吸収と、それらに支払われた価格に対する年間利子、メンテナンス、および減価償却費の合計によって、それらが供給するエネルギーのコストを追加します。伝送線に供給された投資額に対する年間利子、メンテナンス、および減価償却費をカバーし、線で熱に変わったエネルギーを支払うための他の追加が、伝送線によって供給されたエネルギーのコストに追加されなければなりません。
エネルギーが使用される地点の近くで、伝送線は局所配布のための安全な数字に電圧を下げるための変圧器で終わる必要があります。この第2の変圧器セットは、前者のセットと同じ方法で供給されたエネルギーのコストをさらに追加します。
これらの事実から、電気伝送を正当化するためには、配布の地点でのエネルギーの価値が少なくとも生成発電所での価値プラス伝送のコストに等しいべきであることが明らかです。伝送線の1つの端でのエネルギーのコストと他端でのその価値を知り、これらの2つの差は伝送が支払う最大コストを表します。
電力伝送のコストに関連する3つの主な要因は、変圧器、ポール線、およびワイヤーまたは導体です。これらの要因は、各ケースの状況に応じて供給されたエネルギーのコストに非常に異なる程度で入ります。エネルギー伝送の最大と平均レート、総電圧、線損失のパーセント、および線の長さは、主に供給されたエネルギーの総コストにおける変圧器、ポール線、および導体の相対的重要性 を決定します。
変圧器の初回コストは伝送の最大レートに直接変化し、電圧、伝送の長さ、および線損失のパーセントとはほぼ独立です。ポール線は伝送の長さで初回コストが変わりますが、他の要因とはほぼ独立です。固定された最大損失のパーセントのための線導体は、初回コストが伝送の長さの2乗と伝送のレートに直接変化しますが、それらの初回コストは線損失のパーセントが増加するにつれて減少し、伝送電圧の2乗が増加するにつれて減少します。
与えられた量の電力が、線での一定のパーセントの損失と固定電圧で、それぞれ50、100、および200マイルの距離に伝送される場合、前述の原則は以下の結論に至ります：変圧器の容量は伝送のレートによって固定され、どちらの距離でも同じで、それらのコストはしたがって一定です。変圧器の損失、利子、減価償却、および修理も一定です。ポール線のコストは、その長さに依存し、100マイルで2倍、200マイルで50マイルの4倍です。利子、減価償却、および修理もポール線の長さに直接上昇します。
線導体は50マイルの伝送のための50マイルの4倍のコストで、重量が4倍になるため、年間利子と減価償却は同じレートで上昇します。200マイルの伝送のための線導体のコストと重量は50マイルのコストの16倍です。したがって、電圧と線損失が一定の場合、利子、減価償却、およびメンテナンスは200マイルの伝送で50マイルの16倍に増加します。
与えられた距離にわたる電力伝送のコストの具体的な例は、これらの原則の実用的適用を示します。問題は、生成発電所から100マイル離れた都市に電気エネルギーを供給することとします。おおよそ伝送の最大レートに対応する容量の2倍の変圧器を提供しなければなりません、なぜなら1セットが生成で、もう1セットが供給発電所で必要だからです。これらの変圧器のコストは、大容量の場合馬力あたり約7.50ドルです。
信頼性は大規模な電力伝送で最も重要で、これは最も頑丈な構造のポール線を必要とします。そのような線は、木製ポールの適度な価格で入手可能な場所で、導体が位置にあり、導体自体のコストや通行権のコストを除いて、1マイルあたり約700ドルです。この場合の100マイルのポール線は、したがって70,000ドルのコストで設定されるべきです。
そのような長く高価な線の建設を正当化するために大きな電力供給が行われなければならず、10,000馬力が最大供給レートとして取られるかもしれません。伝送の最大レートの馬力あたり変圧器容量の2馬力の基準で、20,000馬力の容量の変圧器がこの伝送に必要です。馬力容量あたり7.50ドルで、これらの変圧器の初回コストは150,000ドルです。
線導体の重量とコストを決定する前に、伝送が行われる電圧と最大負荷の時期の導体でのエネルギーの損失のパーセントを決定しなければなりません。使用される電圧は、主に経験に基づく工学判断の問題で、計算で決定できません。100マイルの伝送では導体のコストが非常に重い項目であるため、このコストは電圧の2乗が増加するにつれて減少するため、信頼できるサービスの要件が許す限り電圧を高く押し進めることが望ましいです。
山からカリフォルニア州オークランドまでの142マイルの伝送線は、40,000ボルトの圧力で数年間継続的に成功裏に使用されています。この線は湿った気候と乾いた気候を通ります。したがって、ほとんどの場所で40,000ボルトを良い結果で使用できると結論づけるのが安全そうです。
電力の量と伝送の電圧と長さを決定した後、必要な導体の重量は線で熱として失われるエネルギーのパーセントに反比例します。最良の損失のパーセントは、多くの要因の数に依存し、その一部、生成発電所でのエネルギーのコストなどは各ケースに特有です。
他の場所の慣行に基づく暫定的な数字として、ここで考慮される線での損失は、フル負荷の10,000馬力を伝送する場合の10パーセントとして取られるかもしれません。この基準で線が建設される場合、損失のパーセントは任意の小さい負荷で比例して少なくなります。したがって、線が5,000馬力だけ伝送する場合、損失は5パーセントになります。各日の大部分の時間で電力の需要は最大数字より少ないことが確実なので、最大損失の10パーセントは、線に供給されたすべての電力の平均損失が7パーセント未満に相当します。
受信発電所の変圧器によって10,000馬力を供給するためには、圧力が40,000ボルトの生成発電所から100マイル離れたところで、導体でのエネルギーの損失が線に供給されたエネルギーの10パーセントの場合、銅導体の重量は約1,500,000ポンドでなければなりません。これらの導体を中程度の価格のポンドあたり15セントとして取ると、それらのコストは225,000ドルに相当します。
変圧器、ポール線、および線導体の組み合わせコストは、現在推定されるように445,000ドルです。ポール線の通行権は考慮されていません、なぜなら多くの場合これが何もコストがかからず、公道が目的で使用されるからです。他の場合では、コストは現地条件で大きく変わるかもしれません。
伝送の効率は、局所配布のための受信発電所での変圧器によって供給されたエネルギーと伝送のための線にエネルギーを供給する変圧器に生成発電所によって供給されたエネルギーの比率で測定されます。ここで考慮される大規模な変圧器はフル容量で働くと効率がほぼ98パーセントですが、それらは部分負荷でいくらか働かなければならないので、実際の効率は96パーセントを超えないでしょう。
部分負荷で線導体の効率が上昇し、伝送されたすべてのエネルギーで93パーセントと安全に取ることができ、最大負荷で90パーセントだけです。2つの変圧器セットと線の組み合わせ効率は伝送の効率を与え、0.96 × 0.93 × 0.96の積に等しく、ほぼ正確に85.7パーセントです。つまり、水力発電所の変圧器は、受信発電所の変圧器が使用場所の配布線に供給する馬力時ごとに1.17馬力時を吸収します。
この完全な伝送システムの利子、メンテナンス、および減価償却は、その総初回コストの15パーセントの年額で十分に提供されます。伝送システムの総初回コストが445,000ドルであるため、この額の15パーセントでの利子、減価償却、および修理の年間費用は66,750ドルです。
この伝送システムの運用総コストの影響を電力伝送のコストで見つけるために、年間伝送されたエネルギーの総量を決定しなければなりません。システムによって供給された10,000馬力は単にエネルギーが供給される最大レートで、伝送されたエネルギーの量を計算するために時間の要素を導入しなければなりません。システムがフル容量で1日24時間働ける場合、供給されたエネルギーは容量と年間総時間数の数字の積で表されます。
残念ながら、しかし、電灯と電力の需要は各24時間の過程で広い範囲で変化し、最大需要の期間は各日の小さな部分にしか及びません。問題は、したがって、この最大負荷を担うのに必要な容量に対するこの平均負荷が担う24時間中の平均負荷がこの容量に対する関係が何かを発見することです。この質問に対する答えは、さまざまなクラスの消費者の電力要件に依存するため、経験によってのみ得られます。ランプと固定モーターの混合負荷で毎日24時間働くいくつかの電動発電所は、必要な最大容量が年間約3,000時間この量を担うのに必要な容量で表される量のエネルギーを供給できることがわかっています。このルールをこのケースに適用すると、消費者の最重の需要によって最大容量の10,000馬力に負荷される変圧器は、年間3,000 × 10,000 = 30,000,000馬力時を供給すると予想されます。
この伝送システムの運用総コストは上記で年間66,750ドルで、生成発電所でのエネルギーのコストを除きます。この額を30,000,000で割ると、エネルギーの初回コストを除く馬力時あたり0.222セントのエネルギー伝送のコストが示されます。伝送の総コストを得るために、ちょうど与えられた数字は変圧器と線導体で失われたエネルギーの価値によって増加されなければなりません。この価値を見つけるために、生成発電所でのエネルギーのコストを知らなければなりません。
水力発電所のスイッチボードでの電気エネルギーのコストは、開発された電力の単位あたりの水力工事に必要な異なる投資のため、広い変動を受けやすいです。ここで考慮されるような大規模な電力では、いくつかの発電所で馬力時の電気エネルギーが0.5セント未満で開発されるかもしれません。この伝送の平均効率が発電機によって供給されたエネルギーの85.7パーセントであるため、配布のための副発電所の変圧器によって供給される馬力時ごとに発電機から1.17馬力時を引き出さなければならないことが明らかです。つまり、供給された馬力時ごとに0.17馬力時が無駄になります。
0.17馬力時のコスト、または0.5 × 0.17 = 0.085セントを超えないと言い、これをすでに発見された伝送コストの項目、つまり馬力時あたり0.222セントに追加して、伝送の総コストを得なければなりません。これらの2つのコスト項目の合計は、総伝送費用として馬力時あたり0.307セントです。
ちょうど発見された伝送のコストが距離が延長された場合にどのように増加するかを尋ねるかもしれません。例として、伝送の長さを100マイルの代わりに150マイルと仮定します。副発電所によって供給されたエネルギーの量、線導体の損失、および生成発電所から引き出されたエネルギーを以前と同じにします。明らかにポール線のコストは50パーセント増加し、つまり70,000ドルから105,000ドルです。同じ容量を持つ変圧器は、150,000ドルの以前の推定から変わりません。伝送の電圧が一定のままで、最大負荷の線損失も同じ場合、銅導体の重量とコストは伝送の距離の2乗で増加します。150マイルでは銅の重量は50マイルの伝送のための2.25倍です。
導体の重量の増加の代わりに、より高い電圧を採用するかもしれません。カリフォルニア州のシエラネバダ山脈からサンフランシスコ湾までの約150マイルにわたる2つの大規模な伝送システムのための変圧器は、希望に応じて40,000または60,000ボルトで線にエネルギーを供給するよう設計されています。最初は低い圧力での定期運転でしたが、電圧は60,000に上げられました。
これらのカリフォルニアシステムが横断するサクラメントとサンホアキン川の下流域、およびサンフランシスコ湾の岸は、アメリカ合衆国とカナダの大部分と同じくらいの年間降水量と湿った大気を持っています。したがって、他所で60,000ボルトを使用するのを防ぐ良い理由はないようです。
与えられたレートでエネルギーを伝送する距離、固定された損失のパーセントと銅の一定重量で、採用された電圧に直接上昇します。このルールは、与えられたレートでエネルギーを伝送するための導体の重量が一定のパーセントの損失と一定電圧で距離の2乗で増加する一方、他のすべての要因が一定の場合、導体の重量は電圧の2乗で減少するためです。
これらの原則を150マイルの伝送に適用すると、電圧を60,000に増加させることで導体の重量が50マイルの伝送のためのものと正確に同じままになることが明らかで、2つのケースで働くレートと線損失が等しいです。
60,000ボルトの基準での150マイル伝送の唯一の追加費用項目はポール線の35,000ドルです。以前のように利子、減価償却、およびメンテナンスをカバーするために35,000ドルの15パーセントを許容すると、伝送のコストの年間増加総額は100マイルの伝送で発見されたものより5,250ドルです。この最後の額は供給されたエネルギーの馬力時あたり0.0175セントです。
伝送のコストは、60,000ボルトの150マイルシステムで供給されたエネルギーの馬力時あたり0.307 + 0.0175 = 0.324セントに上昇します。
既存の伝送線は、上記の要因の関係を導体のコストと重量に示すだけでなく、異なるエンジニアの意見に対応する顕著な変動を示します。これらの点を明らかにするために、多くの伝送線のデータがここに提示されます。これらの線では、伝送の距離は5から142マイル、電圧は5,000から50,000、最大作業レートは数百から数千馬力です。各伝送で、導体の単一の長さと総重量、電圧、および線を供給する生成設備の容量が記録されます。これらのデータから、線のマイルあたりのボルト、生成設備のキロワット容量あたりの導体の重量とコスト、および生成設備のキロワットあたりのマイルあたりの導体の重量が計算されます。各ケースで与えられた線の長さは生成から受信発電所までの距離です。各ケースでの生成設備の与えられた容量は、主ダイナモの容量で、それらの総出力が問題の伝送線に行く場合ですが、ダイナモが他の目的にもエネルギーを供給する場合、特定の伝送線だけを供給する変圧器の定格が生成設備の容量として与えられます。
電気伝送の距離と電圧。
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| |マイルでの | ボルト |マイルあ |
| | 距離 | | たり |
| | | | ボルト |
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|コルゲートからオークランド、カリフォルニア| 142 | 60,000 | 422 |
|カニオンフェリーからビュート、モンタナ| 65 | 50,000 | 769 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 83 | 33,000 | 397 |
|オグデンからソルトレイクシティ、ユタ| 36.5 | 16,000 | 438 |
|マドリードからブランド、ニューメキシコ| 32 | 20,000 | 625 |
|ウェランド運河からハミルトン、カナダ| { 35 | 22,500 | 643 |
| | { 37 | | |
|サンガブリエルキャニオンからロサンゼルス| 23 | 16,000 | 695 |
|カニオンシティからクリップルクリーク、コロラド| 23.5 | 20,000 | 851 |
|アップルリバーからセントポール、ミネソタ| 25 | 25,000 | 1,000 |
|ヤドキン川からセイレム、ノースカロライナ| 14.5 | 12,000 | 827 |
|ビクター、コロラドへ | 8 | 12,600 | 1,575 |
|モントモレンシーフォールズからケベック| 7 | 5,500 | 785 |
|ファーミントン川からハートフォード | 11 | 10,000 | 909 |
|セウォールズフォールズからコンコードの鉄道工場| 5.5 | 10,000 | 1,818 |
|ウィルブラハムからラドローミルズ | 4.5 | 11,500 | 2,555 |
|デールズ、オレゴンへ | 27 | 22,000 | 814 |
+————————————+———–+——–+———+
ここで考慮される伝送システムは、それぞれについて必要なデータを得ることが可能だったため選択され、それらが現在の慣行を公正に示すと推定されます。すぐに注意されるかもしれませんが、一般的に線電圧は伝送の長さで増加します。したがって、ラドローミルズへの4.5マイルの距離にわたる伝送は11,500ボルトで行われます。一方、カニオンフェリーとビュートの間の65マイルの距離の伝送は50,000ボルトを使用し、最近の慣行を表します。ここで考慮される最長の142マイルのコルゲートからオークランドのシステムは、現在その線に60,000ボルトを持っています。一般的に大きな伝送距離で高圧に頼るにもかかわらず、電圧の上昇は線の長さの増加に追いついていません。ウィルブラハム-ラドローの伝送では総圧力はマイルあたり2,555ボルトで、前者の31.5倍の長さのコルゲートからオークランドの線はマイルあたり平均422ボルトで運転されます。考慮された15の伝送のうち、6つは15マイル未満の距離で、そのうち4つはマイルあたり900以上です。8つの伝送は23から83マイルの長さで、マイルあたり1,000ボルトの25マイルから83マイル線のマイルあたり397だけです。マイルあたりのボルトはラドローで6倍大きく、オークランドの伝送です。
発電所の容量と導体の重量。
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| | 発電機の |導体の総重量|容量のキロ |
| | キロワット| |ワットあたり|
| 伝送の場所 |容量 | |の導体のポン|
| | | |ド |
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|ウィルブラハムからラドロー | 4,600 | 17,820 | 3.7[A] |
|セウォールズフォールズから鉄道工場| 50 | 6,914 | 15 |
|ビクター、コロラドへ | 1,600 | 15,960 | 10 |
|デールズ、オレゴンへ | 1,000 | 33,939 | 34 |
|アップルリバーからセントポール | 3,000 | 159,600 | 53 |
|ファーミントン川からハートフォード| 1,500 | 54,054 | 36 |
|カニオンシティからクリップルクリーク| 1,500 | 59,079 | 39 |
|ヤドキン川からセイレム | 1,500 | 58,073 | 39 |
|モントモレンシーフォールズからケベック| 2,400 | 189,056 | 79 |
|カニオンフェリーからビュート | 5,700 | 658,320 | 115 |
|サンガブリエルキャニオンからロサンゼルス| 1,200 | 73,002 | 61 |
|ウェランド運河からハミルトン | 6,000 | 376,494 | 63 |
|マドリードからブランド、ニューメキシコ| 600 | 127,680 | 212 |
|オグデンからソルトレイクシティ | 2,250 | 292,365 | 129 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 2,250 | 664,830 | 295 |
|コルゲートからオークランド | 11,250 | {906,954 | 81 |
| | | {446,627 | 40[A] |
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[A] アルミニウム。
マイルあたりのボルトのこれらの広い変動と線の長さは、発電機容量のキロワットあたりの導体の異なる重量につながります。他のすべての要因が一定の場合、発電機容量のキロワットあたりの導体の重量は、すべてのケースでマイルあたりのボルトが均一である場合、伝送の長さに関わらず同じです。1つの重要な要因、フル負荷での伝送線のための導体が設計された損失のパーセントは、異なるケースで確実で、発電機容量のキロワットあたりの導体の重量の対応する変動につながります。等しい長さの導体で1ポンドのアルミニウムは2ポンドの銅とほぼ同じ電気抵抗を持ち、銅とアルミニウムの線を比較する場合この比率を考慮しなければなりません。
表から、サンタアナ川からの伝送のための発電機容量のキロワットあたりの導体の重量がビクターのための線のための類似重量の29.5倍であることがわかります。しかし、マイルあたりのボルトはビクターでサンタアナ川線の4倍です。ここに提示されたケースの極端な範囲は、ラドロー発電所で3.7、ならびにサンタアナ川システムで295の発電機容量のキロワットあたりの銅導体の等価物です。マイルあたり1,575から2,555ボルトを使用する3つの伝送は、発電機容量のキロワットあたりそれぞれ7.4から15ポンドの等価物です。
導体の重量とコスト。
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| |キロワット|発電機のキ |
| | マイル |ロワットあ |
| | あたりの| たりのド |
| | ポンド | ル |
+——————————–+———-+———–+
|ウィルブラハムからラドロー | 0.86[A] | 1.11 |
|セウォールズフォールズから鉄道工場| 2.7 | 2.25 |
|ビクター、コロラドへ | 0.9 | 1.50 |
|デールズ、オレゴンへ | 1.2 | 5.10 |
|アップルリバーからセントポール | 2.1 | 7.95 |
|ファーミントン川からハートフォード| 3.2 | 10.80 |
|カニオンシティからクリップルクリーク| 1.6 | 5.85 |
|ヤドキン川からセイレム | 2.6 | 5.85 |
|モントモレンシーフォールズからケベック| 11.2 | 11.85 |
|カニオンフェリーからビュート | 1.7 | 17.25 |
|サンガブリエルキャニオンからロサンゼルス| 2.6 | 9.85 |
|ウェランド運河からハミルトン | 1.7 | 9.45 |
|マドリードからブランド、ニューメキシコ| 6.6 | 31.80 |
|オグデンからソルトレイクシティ | 3.5 | 19.35 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 3.5 | 44.25 |
|コルゲートからオークランド | { .56 | 24.15 |
| | { .27[A] | |
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[A] アルミニウム。
伝送線上のマイルあたりのボルトのこれらの広い変動は、発電機容量のキロワットあたりの導体の重量の変動につながります。フル負荷での損失のパーセントのいくらかの変動を考慮すると、15の発電所は導体の重量に関するマイルあたりの高電圧の利点を明確に示します。この利点は、伝送の長さによる違いを各ケースの発電機容量のキロワットあたりの導体の重量を伝送のマイルの長さで割ることで排除する場合、特に明確です。この除算は線の各マイルの発電機のキロワットあたりの導体の重量を与え、キロワットマイルあたりの重量と呼ばれるかもしれません。ラドロー伝送のためのこの重量はアルミニウムの0.86ポンドだけで、前者の線の銅の1.72ポンドの等価物で、ケベックへの線のための類似物は銅の11.2ポンド、または前者の線の6.5倍です。しかし、ラドローでのマイルあたりの電圧はケベック線の類似電圧の3.2倍です。
ビクター線のキロワットマイルあたりの導体の重量は0.9ポンドだけで、ブランドへのマドリード線の類似物は6.6ポンド、または7.3倍です。ビクター線でのマイルあたりの電圧はブランド線の各マイルの電圧の2.5倍です。
ほぼ等しいマイルあたりの電圧を持つシステムを比較すると、ほとんどの場合、フル負荷でのさまざまな損失のパーセントのための設計によって容易に説明できる違いだけが存在します。ビュートへの伝送線はハミルトンに入るものよりほぼ2倍長いですが、それぞれのキロワットマイルあたりの導体の重量は1.7ポンドです。サンタアナ川からの線はソルトレイクシティに入るものより2倍以上長いですが、そのマイルあたりの電圧は9パーセント少なく、各線にキロワットマイルあたり3.5ポンドの銅があります。
電気伝送での導体に関する最終的で実用的な質問は、最大作業容量のキロワットあたりと供給されたエネルギーのキロワット時あたりのそれらのコストに関連します。導体のコストが残りのすべての設備のそれより発電機容量のキロワットあたり大きい場合、伝送が支払うかどうかは疑わしいです。導体に対する固定費が開発と供給の地点でのエネルギーあたりのコストの差を相殺する以上である場合、発電所は電力が必要な場所に位置するべきであることが確実です。導体の大きなコストは、長距離伝送への最も深刻な障害としてしばしば挙げられ、ここに引用された例はこの議論の重さを示します。ここで考慮される伝送線のそれぞれの発電機容量のキロワットあたりの導体の概算コストを見つけるために、裸銅ワイヤーの価格はポンドあたり15セント、裸アルミニウムワイヤーの価格はポンドあたり30セントとして取られます。各ケースで銅またはアルミニウム導体の発電機容量のキロワットあたりの重量は、ちょうど名付けられた価格でのこの容量のキロワットあたりのそれらのコストを決定するために使用されます。このプロセスを15の伝送線に対して行うと、ラドローへの4.5マイル線のための1.11ドルとサンタアナ川の83マイル線のための44.25ドルの間で発電機容量のキロワットあたりの導体のコストが変わることが示されます。前者のこれらの線はマイルあたり2,555で、後者は397ボルトであることに注意すべきです。マドリードへの線はマイルあたり625ボルトで発電機容量のキロワットあたり導体の投資31.80ドルを示します。長い伝送が発電機容量のキロワットあたりの導体に大きな投資を必要としないことは、65マイルのビュートへの線で示され、そのコストはマイルあたり769ボルトでキロワットあたり17.25ドルです。25マイルのセントポールへの伝送、マイルあたり1,000ボルトでは、導体のコストは発電機容量のキロワットあたり7.95ドルです。ケベックへの7マイル線は発電機容量のキロワットあたり11.85ドルの投資を示します。
第IV章。
直流と交流の利点。
アメリカでの長距離電気伝送は、主に交流で行われています。一方、ヨーロッパでは、高電圧での長距離伝送で直流が広く使用されています。このような実践の根本的な違いは、どちらのシステムも優位点に欠けていないことを示しているようです。
長距離伝送の基本的な特徴は、導体の経済性のために必要な高電圧で、この電圧は直流と交流で全く異なる方法で達成されます。数百キロワット以上の容量のダイナモでは、これまで直流の圧力は整流子での火花やフラッシュの危険のため4,000ボルトを超えていません。高電圧の伝送線で10,000ボルト以上が必要な場合、直流では複数のダイナモを直列に接続して、それぞれの電圧を他のに加えます。この方法で、各ダイナモの電圧は総線電圧を制限せずに望ましいだけ低くできます。直流ダイナモの数を直列に運転できる数やそれによって得られる電圧に明らかな制限はありません。スイスのサン・モーリスからローザンヌへの最近完成した直流伝送では、23,000ボルトの線電圧を確保するために10台のダイナモが直列に接続されています。必要に応じて20台や30台以上のダイナモを直列に運転し、線に50,000や75,000ボルトを与える場合、ちょうど名付けられた伝送のものと同じ機械を使用できます。これらのダイナモをどれだけ直列に運転しても、各ダイナモの巻線絶縁への電気的ストレスは実質的に一定のままです、なぜなら各ダイナモの鉄フレームが地面から最も頑丈な方法で絶縁されているからです。各ダイナモの巻線絶縁への電気的ストレスは、そのダイナモによって生成された電圧に制限されます。各ダイナモのフレームと地面の間に挟む絶縁の厚さや強度に実際的な制限はなく、したがってダイナモ絶縁に関して線電圧に制限はありません。
交流ダイナモを直列に運転してそれらの電圧を加えるのは非現実的で、交流伝送で利用可能な圧力は単一のダイナモのものか、変圧器を使用して得られるものでなければなりません。交流ダイナモの電圧は非常に大容量の直流ダイナモのそれよりはるかに高くでき、多くの場合13,200ボルトの圧力が現在伝送線に交流ダイナモによって供給されています。単一の交流ダイナモの電圧がどれだけ高くされるかは誰にも言えませんが、実際的な制限は現在使用される伝送での電圧よりはるかに低いことが証明されるでしょう。交流ダイナモの電圧が高くなるにつれて、それらの電機子コイルの絶縁の厚さとそれによりそれらの電機子コアのスロットのサイズや数、コアのサイズが急速に増加します。交流ダイナモの容量の単位あたりの寸法と重量はこのように電圧で上昇し、ある未確定の点で高電圧ダイナモのコストは等容量の低電圧ダイナモと昇圧変圧器のそれより大きくなります。変圧器によって供給できる電圧に現在見える実際的な制限はありません。変圧器が40,000から50,000ボルトを供給する線が1年から数年定期運転されており、いくつかの大規模な変圧器が商業使用で60,000ボルトで作られ、他の変圧器が実験とテスト目的で多くの場合100,000ボルト以上の圧力で使用されています。
直流と交流伝送の利用可能な電圧はこのように上限として実質的に同等です。交流または直流伝送システムで生成され供給される電力の量は実質的に無制限です。単一の交流ダイナモは希望なら5,000または8,000キロワットの容量で入手できますが、これらの非常に大きなユニットは発電所の容量が複数の機械に分割されるべきであるため、めったに使用されません。おそらく単一の直流ダイナモを最大の交流発電機の容量に等しい容量で構築するのは非現実的ですが、直流機械の任意の数を直列または並列に運転できるため、伝送回路に適用できる電力は無制限です。
伝送された電力が受信される発電所または発電所では、高線電圧で運転するモーターを直列に接続してそれを扱います。これらのモーターはすべて単一の部屋に位置し、建物の異なる部分の機械に接続され、または数マイル離れた地点で使用されるかもしれません。重要な要件は、モーターが互いに直列であることなので、線電圧がそれらの間で分かれることです。受信される場所で単に機械的な電力が必要な場合、それらは伝送システムを完成し、それ以上の電気装置は必要ありません。しかし、ローザンヌのように伝送された電力が一般電気供給システムで使用される場合、線電圧で電流を受信するモーターは必要な種類のエネルギーを供給するダイナモを駆動しなければなりません。ローザンヌの駅では、伝送線に接続されたモーターの4台がそれぞれ光と電力の配布のための3,000ボルト三相交流発電機を駆動します。この駅の5番目のモーターは路面電車に直流を供給する600ボルトダイナモを駆動します。同じ直列の6番目のモーターは駅からある距離のセメント工場を駆動します。線とモーターの損失による容量の小さな変化を無視すると、この直流システムは受信発電所で一般電気配布のために供給されるキロワットごとにモーターとダイナモに3キロワットを含まなければなりません。受信発電所で機械的な電力だけが必要なケースでは、伝送に関連するダイナモとモーターは供給された馬力ごとに2馬力の組み合わせ容量を持たなければなりません。これらの数字と対比して、機械的な電力だけの交流伝送での電気設備は、発電機とモーターが全線電圧で運転しない限り、モーター軸に供給された単位ごとに発電機とモーターに2キロワットの容量、ならびに変圧器に2キロワットの容量を含みます。一般電気供給が交流伝送システムによって運転される場合、直流が必要なところで変圧器に加えてモーターとダイナモまたはロータリーコンバーターを追加しなければなりません。交流伝送はこのように発電所で最小1キロワットのダイナモと1キロワットの変圧器、または受信発電所で配布線に供給されたキロワットごとにダイナモに2キロワットの容量、変圧器に2キロワットの容量、モーターに1キロワットの容量を含むかもしれません。
直流伝送からの線構造は、高絶縁の必要性を除いて最も単純な性格です。2本のワイヤーだけが必要で、それらは任意の望ましい断面を持ち、単一のポール線に張られ、転置する必要はありません。これらのワイヤーでは絶縁を提供しなければならない最大電圧はシステムの公称電圧です。これらの条件下で、2本の導体を持つ単一の伝送線を構築し、ワイヤーの破断やそれらの間のアークに対する高い信頼性を達成するのに十分なサイズと強度、それらの間の距離で可能です。2相または3相交流による電力伝送では少なくとも3本のワイヤーが必要で、6本以上がしばしば使用されます。6本以上のワイヤーが長い伝送で必要な高電圧の電流を運ぶポール線に取り付けられる場合、ワイヤー間の望ましい距離を得るのは現実的ではありません。他のセットが運転中の1セットのワイヤーの修理は危険な作業で、1セットのワイヤー間で発生したアークが別のセットに伝わる可能性があります。これらの理由で交流伝送では2つのポール線がしばしば提供され、3本以上のワイヤーが各線に立てられます。直流伝送と比較して、交流のものはより多くのポール、より多くのクロスアーム、ピン、絶縁体、および立てる労働を必要とします。与えられた有効伝送電圧では交流線を絶縁するのは直流線より難しいです。まず、交流線では真の正弦曲線でも最大電圧は公称有効電圧の1.4倍ですが、絶縁は最大圧力に耐えなければなりません。次に、特定の回路の電気振動の周期がそれを運転するダイナモの周波数に対応する場合、共振の問題が交流回路の最大電圧を正常量の数倍に運ぶ可能性があります。伝送回路の振動周期とそのダイナモの周波数が一致しない場合でも、良い構造は常にこの不一致のために計画されるべきで、共振は交流伝送の正常電圧を大きなパーセントで増加させる可能性があり、しばしばそうします。交流伝送システムは負荷の状態に関わらず実質的に一定電圧で働かなければならず、絶縁への正常ストレスは常に最大です。一方、直流伝送では、線上の一定電流と変動圧力の一般的な慣行に従う場合、絶縁はシステムの最大負荷の時期にのみ最高電圧を受けます。雷は長い伝送線に接続された機械への非常に現実的で差し迫った危険で、この危険は交流システムより一定電流のシステムで守るのがはるかに難しいです。シリーズアークダイナモが楽しむ雷による損傷からの大きな免除度はよく知られており、そのような機械の磁石巻線はそれらから雷を防ぐ傾向のあるインダクタンスとして作用します。さらに、任意の直流機械で大きな自己誘導を持つ雷避け器を回路に接続でき、雷に対する最も効果的な保護を形成しますが、この計画は交流線では現実的ではありません。
スイッチ、制御装置、およびスイッチボードの点で、交流伝送は一定電流の直流システムよりはるかに多くの設備を必要とします。容量3,450キロワットで23,000ボルトのサン・モーリスの発電所の10台のダイナモは、それぞれ胸の高さくらいの鋳鉄の小さな円柱のスイッチで伝送と接続および切断されます。アンペアメーターとボルトメーターが各ダイナモに取り付けられています。容量と電圧が等しい発電所の交流発電機はバスバー、オイルスイッチ、および自動回路ブレーカーを備えた大きなスイッチボードを必要とします。直流と交流伝送システムの相対効率は、受信発電所で必要なサービスの種類と交流システムで変圧器が使用される程度で変わり、他の要因は一定です。比較のために、交流と直流のダイナモとモーターのフル負荷での効率、およびロータリーコンバーターの効率を92パーセントと公正に取り、変圧器の効率を96パーセントとします。
線についてはフル負荷で94パーセントの効率を仮定でき、これは14,400ボルトで2,160キロワットを32マイルに伝送するスイスの伝送の1つの実際の数字です。直流システムが単に受信発電所で機械的な電力を供給する場合、フル負荷での効率はダイナモ軸からモーター軸まで92 × .94 × .92 = 79.65パーセントです。機械的な電力を供給する交流システムは、線電圧がダイナモの電機子コイルで生成され線損失が6パーセントの場合、ダイナモ軸とモーター軸の間で92 × .94 × .96 × .92 = 76.46パーセントの効率を持ちます。昇圧変圧器が使用される場合、機械的な電力を供給する交流伝送の効率は92 × .96 × .94 × .96 × .92 = 73.40パーセントに低下します。これにより、機械的な電力の単純な供給では、直流伝送が交流より効率で3から6パーセントの利点を持ち、昇圧変圧器が使用されるかどうかに依存します。
受信発電所が一般配布のための直流または交流の供給を供給しなければならない場合、直流伝送の効率は92 × .94 × .92 × .92 = 73.27パーセントです。昇圧変圧器を使用しない場合の交流伝送システムは、降圧変圧器を使用する場合、92 × .94 × .96 = 83.02パーセントで伝送線と同じ周波数の交流を任意の望ましい圧力で一般配布のために供給しますが、昇圧変圧器が導入されると効率は83.02 × .96 = 79.70パーセントに低下します。交流伝送が昇圧変圧器を使用せずモータージェネレーターによって交流または直流を供給する場合、フル負荷での効率は83.02 × .92 × .92 = 70.26パーセントですが、昇圧変圧器を追加すると効率は70.26 × .96 = 67.43パーセントに低下します。電気エネルギーが一般配布のために供給される伝送では、交流システムのフル負荷効率は伝送線からの電流が変換される必要があるかどうかに依存して直流システムのそれより高いか低いかです。
線損失は一定電流伝送では負荷に関わらず同じなので、線効率は負荷でかなり急速に低下します。一方、一定圧力では線でのエネルギー損失のパーセントは負荷に直接変わりますが、エネルギー損失の実際のレートは負荷の2乗です。部分負荷では線効率はこのように交流で直流の一定電流よりはるかに高いです。
電気機械の効率は一般的に部分負荷で低いので、伝送のための交流ダイナモ、変圧器、モーター、またはロータリーコンバーターの数や容量が供給された電力の単位あたり直流伝送のための機械の対応する数や容量より大きい場合、後者は部分負荷での機械の組み合わせ効率で利点を持つでしょう。このように1つのシステムの低い線効率は他のものの機械の低い効率を相殺するかもしれません。エネルギーは通常伝送システムの発電所で非常に安いです。この理由で異なるシステムの効率の小さな違いは初回コスト、信頼性、および運用費用の項目と比較して中程度の重みだけを与えられるべきです。
初回コストの点で少なくとも直流システムは交流より明確な利点を持つようです。詳細な見積もりに入らずに、サン・モーリスとローザンヌ伝送のための直流と交流設備のコストについて報告するために選ばれた5人のエンジニアの団体によって与えられた数字を考慮するのは有益です。これらのエンジニアの報告によると、三相伝送システムは実際に設置された直流システムより140,000ドル高く、他のすべての要因は一定です。この伝送の条件は三相動作に有利で直流設備に不利であることに注意すべきです、なぜならセメントミルの400馬力モーターに行くものを除くすべてのエネルギーが一般配布のために受信発電所で供給されなければならないからです。さらに、ローザンヌのモーターの4台が三相発電機を駆動し、1台だけが電動鉄道のための直流ダイナモを駆動するので、三相伝送は1つのロータリーコンバーターだけを必要としたでしょう。伝送がセメントミルのような機械的な電力の供給だけに関連する場合、初回コストの点で直流が交流システムよりの利点はそれよりはるかに大きかったでしょう。
三相電流による長距離伝送は1891年にフランクフルトで始まり、109マイル離れたラウフェンから25,000ボルト線で58キロワットが受信されました。この歴史的な実験の直後、アメリカで三相伝送が商業規模で始まり、このような発電所はここで急速に増加しました。一方、アメリカでは長い伝送で直流でほとんど何もされていません。三相システムの誕生地のヨーロッパでは、長距離伝送で直流を置き換えるのに失敗しました。そこで約20のこれらの直流伝送がすでに働いています。他のすべての要因が等しい場合、直流システムの低いコストに関するヨーロッパのエンジニアの意見が経験で確認される場合、この電流はアメリカでの長い伝送への重要な適用を見つけるでしょう。
直流伝送システムは一定電圧と変動電流で、一定電流と変動電圧で、または負荷の変化に対応するボルトとアンペアの両方の変動で運転されるかもしれません。数千キロワットの容量のダイナモはそれぞれ500から600ボルトで容易に入手できますが、数千ボルトで数百キロワット以上を供給するダイナモの構築の試みは整流子での深刻な火花に遭遇しました。これまで、300から400キロワットの間の出力を与えるダイナモは2,500ボルトの圧力で満足できる結果を与えるように作られています。
スイスのもう一つの伝送は32マイルの距離で14,400ボルトで行われ、容量は2,160キロワットです。この電圧と容量を与えるために、発電所で8台のダイナモが直列に接続され、各ダイナモは1,800ボルトで150アンペアの出力、または216キロワットです。
直流モーターはもちろん高電圧での容量の点でダイナモと同じ制限を受け、線からの高圧エネルギーを受信するモーターを直列に使用します。これらのモーターの数はダイナモの数にちょうど等しく、または少なくまたは多くなるかもしれませんが、1つの時間に運転中のすべてのモーターの総動作電圧は、その時間に運転中のダイナモの総電圧マイナス線の降下ボルトに等しくなければなりません。
各一定電流モーターは現実的な最大まで任意の望ましい容量を持つかもしれませんが、システムの電流のために設計されなければなりません。各モーターの端子での電圧はその負荷で変わり、モーターが最も仕事をする時に最大です。各モーターでの一定速度は通常、磁石コイルの端子に接続された可変抵抗によって達成されます。この抵抗の量はモーター軸によって駆動される遠心ガバナーによって調整されます。このガバナーはまた、磁石コイルを通る電流が変わるにつれて火花を防ぐために整流子上のブラシの位置をシフトします。
一定電流伝送のための磁石と電機子の巻線は通常、互いに直列に接続され、同じ電流が回路のすべての要素を通る線と直列に接続されますが、各モーターは速度調整の目的でその磁石コイルからいくらかの電流をシャントするかもしれません。
いくつかの場合、しかし、ダイナモの磁石コイルは互いに並列に接続され、それらの目的のために設計された別々のダイナモからその電流を受け取ります。この磁石コイルの別々の励磁で、ダイナモ電機子はまだ互いに直列に接続され線です。
一定電流システムの発電所と線上の総電圧は供給されるエネルギーのレートで変わり、フル負荷の時期にのみ最大値を持ちます。この電圧の変動を得るために、線電流によって作動する自動調整器によってダイナモの速度を変えるのが一般的な慣行です。線電流の任意の増加は調整器を作動させダイナモの速度を下げ、線電流の減少はダイナモ速度を上げます。良い調整器で線電流の変動はわずかです。この調整方法の下で運転中のダイナモは常に電機子と磁石コイルの両方で実質的に一定電流を持ち、整流子上のブラシの位置をシフトする理由はありません。
一定電流伝送システムの発電所は一般的に水力で駆動され、速度調整器は各ホイールに許容される水の量を変えるために作動します。各タービンホイールは通常一対のダイナモを駆動しますが、1つまたは任意の数のダイナモが単一のホイールによって駆動されるかもしれません。単一のホイールによって駆動される2台のダイナモは一般的に常に直列に接続され、主回路に一緒に切り込まれたり切り出されたりします。一定電流発電所の負荷がすべてのダイナモより少ない電圧を開発できるような場合、1つ以上のダイナモを停止し回路から取り出せます。
これをするために、サービスから外されるダイナモまたは一対のダイナモは停止され、それらの磁石コイルが最初に短絡され、それからそれらの電機子の線への接続を横断するスイッチが閉じられ、その後電機子の線への接続が開かれます。逆のプロセスで、任意のダイナモまたは一対のダイナモを運転回路に切り込めます。
運転中の直列の各ダイナモの端子では電圧はその電機子で開発されたものだけなので、いくつかの巻線間の絶縁は対応するストレスだけを受けます。全線電圧は、しかし、直列の1つの端のダイナモのコイルからそのフレームへ、そこからそのフレームが置かれる任意の物質へ、そして直列の他の端のダイナモのフレームとコイルへ電流を強制する傾向があります。ダイナモコイルの絶縁を線電圧から保護するために、厚い磁器のブロックがダイナモフレームの下に置かれ、電機子軸は絶縁カップリングによってタービンのものに接続されます。
すでに述べられたスイッチの他に、各ダイナモと機械の全直列のためのボルトメーターとアンペアメーターを提供すべきです。これでスイッチボード設備が完成し、したがって非常に単純です。一定電流システムの線損失は運転される負荷に関わらず同じなので、この損失は負荷が軽い時に総出力の大きなパーセントになるかもしれません。例えば、駅の最大電圧の5パーセントが線を通る一定電流を強制するのに必要なら、線損失のパーセントは駅電圧が最大の半分の時に10に上昇し、駅がそのフル容量の4分の1だけを供給する時に20に上昇します。
この一定電流動作の特性を考慮すると、線損失は最大負荷に対する比率でかなり小さくすべきです、なぜならほとんどの駅は時間の多くを部分負荷で働かなければならないからです。一定電流伝送での線損失のための最大駅電圧の5パーセントは公正な一般的な数字ですが、特定のケースの状況はより高いまたは低いパーセントを指示するかもしれません。
上記で名付けられた32マイル伝送では、線での損失はフル負荷での駅出力の6パーセントです。
直流による伝送が一定圧力で行われる場合、各ダイナモの容量と電圧の制限は一定電流の場合と同じくらいです。おそらく今、500から600ボルトの電動鉄道作業に捧げられる大部分のより多くのエネルギーが一定圧力の直流によって伝送されています。約これらの電圧のためのダイナモは数千キロワットの容量でそれぞれ容易に入手できますが、この圧力で行う経済的な伝送の長さは比較的小さいです。500ボルトで線に供給され10マイルに10パーセントの損失で伝送されるキロワットごとに、銅導体の重量は372ポンドで、ポンドあたり15セントで56.80ドルです。この額は容量のキロワットあたりの良い直流ダイナモのコストの2倍から4倍です。伝送の距離が10マイルで電圧と線損失が以前のままの場合、銅導体の重量は線に供給されたキロワットあたり1,488ポンドに増加し、227.20ドルです。
経験は、400キロワット以下のサイズで直流ダイナモがそれぞれ2,000ボルトの電圧を安全に持つことが示され、そのようなダイナモの任意の数を並列に運転でき、望ましい容量を与えます。2,000ボルトと線での損失の10パーセントでキロワットあたりの銅導体の重量は93ポンドで、線に供給されたキロワットごとに13.95ドルで10マイル伝送です。20マイル伝送で2,000ボルトではキロワットあたりの導体の重量は損失のパーセントが2つのケースで等しい500ボルトの5マイル伝送でのそれらの重量と同じです。50キロワット以上の大規模な直流モーターは2,000ボルトの圧力で入手でき、そのようなモーターの任意の数は直列の他のものに関係なく完全に独立して2,000ボルトの一定圧力線から運転されるかもしれません。これらの数字から、単一のダイナモから良い効率と導体への穏やかな投資で10マイルの伝送が直流で一定圧力で行われることが明らかです。
距離が直流の一定圧力伝送で2,000ボルトよりはるかに多い電圧を必要とするような場合、ダイナモとモーターを直列に接続するのに頼らなければなりません。一定電流作業の場合のように多くのダイナモをそう接続できます。一定圧力伝送線に接続されたモーターを直列にするシリーズでモーターの組み合わせ電圧はその線の電圧に等しくなければならず、したがって1つのシリーズのモーターの数は一定でなければなりません。伝送の電圧が2つまたは3つ以上のモーターを各シリーズに接続しなければならないほど高い場合、モーターが時間の多くを軽負荷で運転されなければならないという異議が来ます。さらに、各シリーズは単一のダイナモや他の機械の駆動のような同じ仕事に機械的に接続されなければなりません、なぜならシリーズのモーターの負荷が異なって変わる場合、これらのモーターは一定速度で運転しないからです。直列のモーターを持つ一定圧力の直流伝送はこのように、任意のモーターがその時間に使用されるモーターの数とそれらがしている仕事に応じて発電所で自動的に調整される線電圧で、他のものに関係なく開始および停止される一定電流での伝送の柔軟性を欠きます。
そのダイナモ、モーター、および線での効率で、一定圧力伝送システムはフル負荷で一定電流のものに実質的に等しいです。部分負荷では一定圧力線はそれのエネルギー損失が負荷の2乗で変わるため利点を持ちます。このように一定圧力で半負荷での時間あたりのエネルギー線損失はフル負荷での損失の4分の1だけです。一方、一定電流線でのエネルギー損失は負荷のすべての段階で同じです。これらの事実のため、フル負荷で一定圧力線で10パーセントの損失を許容し、一定電流線で5パーセントだけを許容するのが良い慣行です。
2,000ボルト以上の一定圧力の発電所では、主ダイナモの磁石コイルを並列に接続し一定圧力の小さなダイナモによって別々に励磁するのが望ましいです。この計画は特に線電圧を得るためにいくつかのダイナモの電機子が直列に接続される場合に望ましいです。別々に励磁された磁石コイルは複数のダイナモの運転を制御しやすくし、低電圧のコイルは高電圧のコイルより安く作れ、低電圧巻線は燃え尽きる可能性が少ないです。ローザンヌのシリーズの磁石コイルを線からより特殊なダイナモから励磁するのがより安く安全かもしれません。
シリーズ巻ダイナモとモーターの組み合わせ伝送では、モーターの速度はすべての負荷で特別な調整機構なしで一定かもしれません。この結果を達成するためにはすべてのモーターが機械的に単一のユニットを形成するように連結され、ダイナモが一定速度で駆動されることが必要です。このようなシステムは単一のダイナモと単一のモーター、または2つ以上のダイナモと2つ以上のモーターを使用し直列に使用されるかもしれません。
そのようなシステムのダイナモが一定速度で駆動され変動負荷が単一のモーター、または機械的に接続されたモーターに適用される場合、システムの電圧とすべての部分に流れるアンペアの両方が一緒に変わり、ダイナモとモーターの両方の設計が目的に適している限り、モーターで実質的に一定速度が維持されます。モーターの最大負荷でシステムのボルトとアンペアは最大値を持ち、これらの値は小さい負荷で両方低下します。このシステムの主な欠点は、1つ以上のモーターが使用される場合すべてのモーターが機械的に結合され同じ負荷で働かなければならないという事実です。
一定電流システムと比較して、このシリーズダイナモと機械的に接続されたシリーズモーターの組み合わせは、ダイナモもモーターもモーター速度を維持するためのいかなる種類の調整器も必要ないという明確な利点を持ちます。一定圧力システムと比較して、検討中のものはそのダイナモもモーターも端子に高電圧の磁石コイルを持ち細線で構成されたり特殊なダイナモによる別々の励磁を必要としない利点を持ちます。これらのシリーズダイナモとモーターのシステムの特徴、後者は機械的ユニットとして結合され、他の2つのいずれかより設置が安く運転が簡単です。このシステムはかなり大きな単位での機械的な電力の供給に特に適しています。利用可能な電圧は任意のものですが、すべてのモーターが機械的ユニットとしてその電力を供給しなければならない制限を受け、電力がかなり大きい限りシリーズのモーターの数としたがって電圧は制限されます。
ちょうど説明された伝送システムの興味深い例は、スイスのビエンヌ近くのスーズ川の地点とビベレスト製紙工場間の存在です。川では400馬力のタービン水車が一対のシリーズ巻ダイナモを駆動し、それぞれ130キロワットと3,300ボルトの定格です。これらのダイナモは直列に接続され、合計容量260キロワットと圧力6,600ボルトを与えます。ビベレスト工場にはスーズ川の2台のダイナモから延びる2線伝送線と直列に接続され機械的に結合された2台のシリーズ巻モーターがあります。これらのモーターのそれぞれは以前に述べられたダイナモのいずれかの容量と電圧に等しいです。結合されたモーターはすべての負荷で毎分200回転の一定速度で運転され、最大仕事をする時に300馬力以上を供給します。発電所とビベレスト工場間の距離は約19マイルで、2本の線ワイヤーはそれぞれ銅で、直径0.275ミル、または1/4インチ少し超です。このシステムのダイナモとモーターは全線電圧のストレスからその巻線の絶縁を保護するために厚い磁器のブロックに取り付けられます。
考慮された直流による3つの伝送システムのいずれも、線電圧で両方のダイナモとモーターが運転するものを除く交流を使用する任意のシステムより与えられた機械的な電力供給のレートのための電気装置の総容量が小さいです。
第V章
電気電力伝送の物理的限界
電気エネルギーは、線路電圧が無制限であれば、世界中へ伝送することが可能である。これは、一定の電力が、距離に比例して電圧を増加させることで、一定の効率と固定された導体の重量で任意の距離に伝送できるという法則から導かれる。
したがって、電気電力伝送の物理的限界は、使用可能な電圧によって決定される。伝送電圧の影響は、発電所および受電所の装置と、線路に現れる。これらの両方の状況において、経験が主な指針となり、理論は電圧が動作不能になる限界について信頼できるものをほとんど提供しない。
発電機は、伝送システムにおいて実用的な電圧の限界が最初に達するポイントである。現在の米国におけるほぼすべての高電圧伝送では、交流発電機が使用されている。数百キロワットの容量で4,000ボルトを超える電圧の直流発電機は、ヨーロッパでごくわずかしか作られておらず、米国ではおそらく一つもない。高電圧での直流伝送を行う場合、通常、発電所で2台以上の発電機を直列に接続し、受電所でモーターを同様に配置して、線路で所望の電圧が得られるようにするが、各機械には存在しない。
数百キロワットの容量で約6,000ボルトの電流を供給する交流発電機は、数年間定期的に使用されており、数千キロワットの容量のものを容易に入手できる。しかし、6,000ボルトでさえ、現在かなり一般的である15マイルから50マイルの伝送には経済的な圧力ではない。したがって、そのような伝送では、3,000ボルト未満で動作する交流発電機を使用し、発電所で昇圧変圧器を使用して所望の線路圧力まで電圧を上げるのが一般的である。しかし、最近では、すべての電機子巻線が固定されている回転磁石型の交流発電機で、電圧を13,000ボルトまで押し上げている。この電圧により、一部のケースでは30マイル以上でも昇圧変圧器を使用せずに済む。この電圧の13,000ボルトは、この圧力を発生するコイルの絶縁材料に必要な比較的大きなスペースのため、いくつかの困難を伴う構造によって達成される。この構造の傾向は、交流発電機を与えられた容量に対して異常に大きな寸法にする。さらに、交流発電機の電機子コイルで発生する圧力は、現在伝送線路で使用されている50,000ボルトや60,000ボルトをはるかに下回る点で上限に達するようである。最長の交流伝送では、発電所の昇圧変圧器と受電所の降圧変圧器を省略できる見込みはほとんどない。これらの所で受信または供給される最高電圧は、単に変圧器で発生可能で線路で伝送可能な最高電圧である。
変圧器では、発電機の電機子よりもはるかに高い絶縁度を達成するのがはるかに容易である。なぜなら、絶縁材料に利用可能なスペースが変圧器の方がはるかに大きく、さらにその構造がコイルを石油に完全に浸漬することを可能にするからである。この油は、空気よりも電気火花の通過に対する抵抗がはるかに大きく、非常に高い電圧でコイル間にアークを発生させる傾向がある火花の通過を防ぐ。コイル間の電圧差が大きい場合に発生するクリーピング効果による絶縁への危険は、コイルを油に浸漬することで大幅に回避される。数年間、変圧器群は40,000ボルトから60,000ボルトで定期的に動作しており、実用的な電圧の上限に達した兆候は全くない。それどころか、変圧器は実験的に繰り返し100,000ボルト以上で動作している。
これらの事実や同様のものから、現在実用的に使用されている50,000ボルトや60,000ボルトをはるかに超える変圧器で達成可能な電圧の物理的限界があると結論づけるのは妥当である。現在の慣行に関して、高電圧の使用の限界は、変圧器を超えて発電所および受電所の外側で探す必要がある。現在構築されている線路は、伝送システムの部分で、より高い電圧の使用に対する物理的限界が最初に達する部分である。この限界に最も直接的に寄与する要因は2つである：ポール上の複数のワイヤー間の暫定的なアーキングと、それほど目立たないがワイヤー間の恒常的なエネルギー通過である。非常に高い電圧の線路では、アーキングがいくつかの原因の一つによって時折発生する。ワイヤーを支える絶縁体の1つ以上が破損したり欠陥が生じたりするポイントでは、電流が湿ったクロスアームに沿ってワイヤーから別のワイヤーへ流れ、木材が炭化してアークが形成され、クロスアームやポールさえ焼き尽くす。線路が濃い海霧にさらされる場合、塩が絶縁体とクロスアームに堆積し、アークが発生し、しばしばクロスアームの破壊に至る。一部のケースでは、高電圧で使用されるワイヤーを支えるガラスや磁器の絶縁体が、絶縁体の材料を貫通して支柱ピンに火花が通り、ピンを焼き、最終的にクロスアームを焼く。この問題は、より良いグレードの磁器を採用するか、ワイヤーと支柱ピンの間のガラスや磁器の厚さを増やした絶縁体で容易に対処できる。高電圧の線路間のアークは、通常、絶縁体が湿ったり塩の堆積で覆われたときに絶縁体の下縁からクロスアームに飛び火花から始まる。絶縁体の下縁がクロスアームから数インチしか離れていないため、火花は絶縁体からクロスアームへ、そして他の絶縁体とワイヤーへという比較的低抵抗の経路を見つける。湿ったクロスアームの木材は空気よりもはるかに良い導体である。ワイヤーが数フィート以上離れている場合、火花はおそらく直接空気を通って一方から他方へ飛び越えない。しかし、そのようなワイヤーに近い大きな鳥が飛ぶと、一部のケースで一時的なアークが発生する。クロスアームを油やパラフィンで処理すると、高電圧線路で発生するアークの数を減らすが、完全に防ぐわけではない。
長距離伝送の電圧が上がるにつれて、ワイヤー間の空気を通じた距離と、絶縁体の下縁の湿った部分からクロスアームまでの距離が大幅に増加された。高電圧の初期の伝送線路の多くは、1フィートから2フィート離れた絶縁体に立てられた。これに対して、Cañon FerryとButte間の50,000ボルトで動作する伝送線路の3本のワイヤーは、78インチ離れた三角形の角に配置され、各ポールの頂部に1本のワイヤーと、クロスアームの反対端に他の2本のワイヤーである。18インチ離れたワイヤー間で湿ったクロスアームに沿ってアークを発生させる電圧は、絶縁体の下縁の湿った部分がクロスアームから等距離の場合、78インチのクロスアームでは全く無力である。電流がクロスアームに到達するためには、湿ったまたは汚れた絶縁体の外側表面を下ってその下縁まで流れる。古いタイプの絶縁体では、下縁の湿った部分がクロスアームから2インチ以内に来ることが多かった。前述の50,000ボルト線路では、絶縁体（イラスト参照）は下縁の湿った部分がクロスアームから約8インチ上に取り付けられている。各絶縁体の下縁の直径は9インチで、小さなガラススリーブがこの縁の下に数インチ延びて木製ピンに近づき、絶縁体の下縁の湿った部分からピンへの火花を防ぐ。これらのワイヤー間の直接距離の増加と、絶縁体の下縁の湿った部分からピンやクロスアームの木材までの距離の増加は、現在使用されている最大圧力の50,000ボルトから60,000ボルトで良好な気象条件下で深刻なアーキングを防ぐのにかなり効果的である。これらの電圧を大幅に超える場合、破壊的なアーキングを避けるために、ワイヤー間の距離と絶縁体の下縁の湿った部分からポールやクロスアームの木材までの距離をさらに増加させる必要があるのはほぼ確実である。
現在の線路構造で電圧の絶対的な物理的限界に最も近いのは、回路のワイヤーからワイヤーへの空気を通じた恒常的なエネルギーの電流である。米国電気工学会論文集第XV巻の論文では、コロラド州Tellurideで行われたテストが記載されており、ワイヤーから回路の別のワイヤーへ空気を通じたエネルギーの損失率を決定している。Tellurideのテストは、最初に直径0.165インチの鉄ワイヤー、次に直径0.162インチの銅ワイヤーで、11,720フィートのポール線路に張られた2線回路で行われた。線路の異なる電圧でのワイヤーからワイヤーへのエネルギーの逃げを測定し、ワイヤーをさまざまな距離に離して行った。絶縁体の表面を通じたエネルギーの損失は非常に少なく、空気を通じた直接の通過による損失が主に考慮されるものであることがわかった。この空気を通じた漏れは、予想通り線路の長さに比例する。テストは、ポール線路の全長を走るワイヤーのペアで、15、22、35、52インチ離れたそれぞれで行われた。22インチまたは35インチ離れたワイヤーの損失は、15インチと52インチ離れた場合の損失の中間であった。元の論文で与えられた15インチ離れたワイヤーのペアと52インチ離れたペアの結果を、ここでは2線線路のマイルあたりのおおよそのワットに換算する。40,000ボルトでは、15インチ離れた2本のワイヤー間の損失はマイルあたり約150ワットで、52インチ離れた2本のワイヤー間の損失は84ワットであった。15インチ離れた2本のワイヤーは、電圧が44,000ボルトまで上がるとマイルあたり約413ワットの漏れを示したが、52インチ離れたワイヤーは同じ電圧で94ワットのみであった。15インチ離れた2本のワイヤーで記録された最高圧力の47,300ボルトでは、それらの間の漏れはマイルあたり約1,215ワットであったが、52インチ離れた2本のワイヤーでは同等の電圧で122ワット、つまり15インチ離れたワイヤーの10分の1であった。52インチ離れた2本のワイヤーで約50,000ボルトに達すると、それらの間の漏れはマイルあたり140ワットに達した。しかし、この電圧を超えると損失は急速に上がり、約54,600ボルトで225ワットとなった。さらに高い圧力では、これらの2本のワイヤー間の損失はさらに急速に増加し、記録された最高圧力の約59,300ボルトで1,368ワットとなった。52インチ離れた2本のワイヤーでマイルあたり約1,215ワットの損失では、電圧は58,800ボルトで、15インチ離れた2本のワイヤーで同じ漏れを生じる47,300ボルトと対比される。
明らかに、線路ワイヤー間でさえ52インチ離れていても、高電圧の限界は遠くない。52インチ線路の電圧を54,600から59,300に上げると、2本のワイヤー間の漏れ損失はマイルあたり約1,143ワット増加した。漏れが少なくとも同様の割合でさらに高い圧力で増加すると仮定すると（おそらくそうである）、線路に80,000ボルトでは2本のワイヤー間の損失はマイルあたり6,321ワットになる。200マイルの線路では、この2本のワイヤー間の漏れによる損失は1,264,200ワットになる。このような漏れは明らかに電圧、そして伝送の長さに対する絶対的な物理的限界を設定する。
幸いにも、エネルギーの源から遠距離への将来の供給のために、前述の限界を避ける手段は難しくない。他の実験では、与えられた電圧と導体間の距離で、ワイヤーからワイヤーへのエネルギーの損失は直径が増加するにつれて急速に減少することが示されている。空気の電気抵抗は、他の物質と同様に、それを通る回路の長さに比例して増加する。記述された漏れは、回路の1本のワイヤーから別のワイヤーへの空気を通じた電気エネルギーの流れである。この漏れを減らすためには、空気を通るワイヤーからワイヤーへの経路に大きな電気抵抗を与えるだけであり、つまりワイヤーをより離すことである。Tellurideで実証された事実、すなわち各線路に47,300ボルトで15インチ離れた2本のワイヤー間のマイルあたり漏れが52インチ離れた2本のワイヤーの10倍であることは、意味に満ちている。明らかに、空気を通じた漏れは、回路のワイヤー間の距離を適切に増加させることで任意の程度に減らすことができる。しかし、このワイヤー間の距離の増加を非常に進めるには、線路構造の根本的な変更を伴う。これまでは、伝送回路の2本または3本のワイヤーを単一のポール線路に運ぶのが一般的で、多くの場合いくつかのそのような回路が同じポール線路に取り付けられる。モンタナ州Butteへの65マイル伝送では、単一回路の3本のワイヤーのみが1つのポール線路に取り付けられ、これが現在の最良の慣行を表す。この線路のクロスアームはそれぞれ8フィート長で、各ポールに1つ取り付けられる。ポールは35フィート以上で、8インチの頂部を持つ。各ポールの頂部に1本のワイヤー、他の2本のワイヤーはクロスアームの端近くに取り付けられ、3本のワイヤーが等距離で78インチ離れている。より重いポールを使用することで、クロスアームの長さを12または14フィートに増加でき、その断面は4×6インチ以上であるべきである。ポール頂部に1本のワイヤーを置き、12フィートのクロスアームでは、回路の3本のワイヤーを約10.5フィート離れて配置できる。特大ポールのコストは急速に上がり、代替構造がより適しているようである。さらに、数万ボルトの現在の慣行を超えると、10.5フィート離れていても禁止的な漏れを防げない点に再び達する。20フィート離れた2本のポールを設定し、それらの間にクロスピースを置き、各ポールから5フィート延びて総長30フィートにする。これにより、クロスピースに沿って3本のワイヤーを約14フィート離れて取り付けることができる。
現在の50,000ボルトから60,000ボルトの伝送圧力を大幅に超える場合、線路構造は回路の各ワイヤーごとに別々のポールを使用し、各ワイヤーをポールの頂部に取り付けることを伴うかもしれない。この構造では、三相伝送の3本のワイヤーを運ぶために3つのポール線路が必要である。これらのポールのそれぞれは、中程度の寸法、例えば30フィート長で6または7インチの頂部でよい。これらの3本のポールのコストは、12フィートのクロスアームに必要な35または40フィートのポールで8から10インチの頂部のものより、適度な割合でしか超えない。線路に直角なこれらのポール間の距離は任意にできるため、空気を通じたワイヤーからワイヤーへの漏れは任意の電圧で些細なものになる。ポール頂部の余分に長いピンと絶縁体により、各絶縁体の下縁の湿った部分からピンやポールの木材までの距離を2フィート以上に容易にできる。このような線路構造は、おそらく現在の慣行の最大電圧の2倍または3倍を安全に運び、電気伝送の物理的限界を変圧器が動作可能な最高圧力まで押し戻すかもしれない。線路に60,000ボルト以下では、多くの場合導体のサイズが十分に大きく、6フィート離れているとそれらの間のエネルギーの損失を適度な限界内に抑えられるが、電圧の大幅な増加では導体のサイズを増やすか、それらの間の距離を増加させる必要がある。
第VI章。
電気発電所のための水力の開発。
電気伝送は水力開発のコストを削減しました。伝送なしでは、電力は利用される建物のための十分なスペースがあるように複数の異なる地点で開発されなければなりません。この条件は、水を電力が開発されるいくつかの地点に導くための比較的長い運河を必要とし、また運河と河川の正面を持つ比較的大きな土地の面積を必要とします。
電気伝送では、電力がどれほど大きくても、単一の地点で非常に限られた土地の面積で開発されるかもしれません。この場合の運河はダムの1つの端から近くの発電所への短い通路だけ、または発電所自体がダムを形成する場合のように完全に消えるかもしれません。
水力目的のための水の分配と伝送のための電気エネルギーの水による開発のこれらの違いは、多くの例で示されます。
水を電力が必要な地点に分配する典型的なケースは、ニューハンプシャー州マンチェスターのアモスケーグ製造会社のメリマック川の水力開発で見られます。この開発にはメリマック川を横断するダムと、下流約3,400フィート川の1つの岸に沿った2つの平行な運河が含まれます。石のダムとその先の少しの自然の落差により、高水準運河の上端で約48フィートの水頭が得られます。この地点の下では、2つの運河に並行するその経路の部分を通じて河床の低下はほとんどありません。電力の分配のための手段が提供される場合、すべての電力はダムの1つの端の数ロッド以内で開発されるかもしれません。
この水力が開発された数年前、電力の電気伝送または分配は聞かれず、水自体の分配がしたがって採用されなければなりませんでした。この目的で、すでに述べられた2つの運河が異なるレベルで川の高岸に沿って建設されました。
いわゆる高水準運河は、ダムの1つの端の少し下の盆地またはフォアベイから直接水を取るよう設計され、この運河と川の間には約48フィートの完全な水頭があります。この高水準運河のほぼ全経路で、川の端に近い側は川の壁の端から450から750フィート走り、それにより運河と川の間に水車で駆動される工場を位置づけるための大きな面積を含みます。しかし、高水準運河と川の間のこの土地の帯は単一の列のミルサイトには広すぎると考えられ、低水準運河がしたがって高水準のものと平行に建設されましたが、約21フィート少ない標高です。
これらの2つの運河の間に約250フィート幅の土地の帯がミルの位置づけのために残されました。この運河の配置により、2つの運河の間の建物に位置する車輪に約21フィートの水頭の下で水を供給し、低運河と川の間の車輪に約29フィートの水頭の下で水を供給することが可能です。高運河と川の間の土地の全面積はこのように工場建物のために容易に利用可能です。
低運河のための水は主に2つの運河の間の建物内の車輪を通じて高運河から引き出されます。このようなケースでは、低運河と川の間の車輪を通じて流れる水と同じくらい高と低運河の間の車輪を通じて流れる水を持つことが望ましいですが、これは常に可能ではありません。したがって、フォアベイで2つの運河が始まる地点にゲートが提供され、必要ならフォアベイから直接低運河に水を通すことができますが、フォアベイと低運河の間の21フィートの水頭はこの水に関して失われます。高と低運河の間と低運河と川の間に23のタービンホイールまたはホイールのペアが接続され、これらの車輪は合計9,500馬力の定格です。
この水力開発を実行するために、約1.3マイルの運河が建設されたことがわかります；この長さの半分の河川正面が必要で、約6分の1平方マイルの領土が占められました。この結果と、この水力が開発された時に電力の電気伝送が利用可能だった場合に何ができたかを比較します。既存の1.3マイルの運河の長さの数ロッドを除くすべてを省略でき、川の全流量を取る車輪を持つ電動発電所はダムの1つの端から遠くない場所に位置づけられたでしょう。そのように開発された電動電力を利用する工場は河川正面や他の場所の任意の便利な地点に位置づけられ、散在した車輪のセットへの頭水と尾水の接続の必要性のためにスペースが利用不可になることはありませんでした。
前述の水力開発と比較して、モンタナ州のミズーリ川のカニオンフェリーでの開発で、10,000馬力が水頭32フィートの下で開発されます。カニオンフェリーでは発電所は床レベルで225フィート x 50フィートで、タービンホイール直接接続の10台の主発電機の合計容量7,500キロワットまたは10,000馬力を持ち、500フィートのダムの1つの端に近い川岸に建設されます。発電所の陸側に沿って走る運河はダムの突端の上流側で水を取り、発電所自体の長さの約2倍です。電気開発と伝送に有利なこの運河建設の節約は、必要な土地の面積の節約を言うまでもなく、明らかに大きな項目です。小さな面積と短い運河でカニオンフェリー発電所は例外ではなく、中程度の水頭の下で運転する大規模な電動水力発電所の典型です。
類似のケースは、マサチューセッツ州チコピー川のレッドブリッジの発電所で見られ、ダムの1つの端からの運河340フィートとペンストック100フィートが水を水頭49フィートで発電所に運びます。この発電所は合計4,800キロワットまたは6,400馬力の容量の発電機を含み、その床面積は141 x 57フィートです。
[イラスト: FIG. 5.–チコピー川のレッドブリッジの運河。]
したがって、再び、メイン州ノースゴーハムのプレサンプスコット川のグレートフォールズの発電所で、エネルギーがメイン州ポートランドの照明と電力のために引き出されます。地面面積でこの発電所は67.5 x 55フィートで、主発電機の容量は2,000キロワットまたは2,700馬力です。
水力開発のコストを電気伝送がどの程度削減するかの印象的な例は、ニューハンプシャー州のピスカタクォグ川のグレッグズフォールズで見られ、1,200キロワットの容量の電動発電所がダムの1つの端に近く建設され、水を51フィートの水頭の下でその車輪に運ぶ直径10フィートの短いペンストックを受けます。
[イラスト: FIG. 6.]
おそらくどこでもその車輪に水頭を提供するダムに近い最大の電動水力発電所は、ハドソン川上のスピアフォールズのそれで（カットを参照）、この発電所の1つの端はダムの高い壁セクションで形成され、この壁から発電所の下流の長さは392フィートで、幅は70フィート10インチで、両方の寸法は内部で取られます。この場合の運河またはフォアベイは発電所の岸側にあり、それの長さにほぼ等しいです。この運河から直径12フィートの10本の短いペンストックが水を水頭80フィートの下で発電所の同じ数のタービンホイールのセットに運びます。これらの車輪は合計容量24,000キロワットまたは32,000馬力の発電機を駆動します。
時には河床の傾斜が非常に緩やかであるか小さな落差の数で分割されるか、水の量が非常に小さいため、長い運河の建設なしで任意の1つの地点で非常に大きな電力を開発できません。このようなケースで電気伝送は再び川の長い区間からのすべての電力を単一の地点に集中するのを可能にする建設の費用を削減するために利用可能です。これは川に沿って望ましいだけ多くの地点に電動発電所を位置づけ、それらのすべての発電所から電力を使用される単一の地点に伝送することによって行われます。
例として、メリマック川上のガービンズフォールズとフックセットフォールズがあり、4マイル離れています。これらのフォールズの前者では水頭は28フィートで、後者では16フィートです。これらの2つのフォールズの電力を単一の水駆動発電所で結合するには明らかに4マイルの長い運河が必要で、その費用は禁止的かもしれません。これらのフォールズからのエネルギーは両方の地点の発電所とそこからその都市への伝送線によってニューハンプシャー州マンチェスターの単一の副発電所で利用可能です。
フックセットでは現在の発電所の容量は1,000馬力で、ガービンズフォールズでは容量は1,700馬力です。しかし、川はこれらのフォールズの両方でより大きな電力を開発でき、ガービンズでの建設は現在その発電所の容量を5,000馬力に上げています。
長い運河なしで水力の組み合わせの類似の結果は、3マイル離れたピスカタクォグ川上のグレッグズフォールズとケリーズフォールズの場合に到達します。これらの2つのフォールズの前者では電動発電容量は以前に述べられたように1,600馬力で、後者のフォールズでは容量は1,000馬力です。各場合発電所はそのダムに近く、運河は必要ありません。電気伝送はこれらの2つの電力をメリマック川上の上記の2つの発電所からエネルギーを受信するマンチェスターの同じ副発電所で結合します。
2つ以上の水力をそのそれぞれから遠い地点で利用される電力として結合する代わりに、1つ以上のフォールズで開発された電力を他のサイトに伝送しそこで使用できます。これは実際、マサチューセッツ州チコピー川上のラドローツワイン工場でなされ、これらの工場は川のその地点でその落差が約2,500馬力を利用可能にする地点に位置し、この落差はフル容量で開発されています。蒸気エンジンの容量2,400馬力が追加された後、より多くの水力が求められ、新しいダムが工場から上流約4.5マイルの同じ川の地点に位置づけられました。川の全流量はこの新しいダムで利用可能で、4.5マイルの長い運河が水をラドローの工場内の車輪に下ろすために使用されたかもしれません。
そのような運河は土地と建設のための大きな投資を意味し、川のすべての水が転用される場合川に隣接する不動産への損害もおそらくです。そのような運河の代わりに、6,400馬力の容量の発電所が新しいダムに近く位置づけられ、この電力はラドローの工場内のモーターに伝送されます。
水力が異なる川の別々で遠いもののものであっても、電気伝送は望ましい任意の地点で結合するのを可能にし、それは高価であっても運河のシステムではできないことです。このようにメリマックとピスカタクォグ川の両方からの電力がマンチェスターの同じワイヤー上で配布され、ユバとモケルムネがサンフランシスコの街路沿いの電気供給に貢献し、モンテアルトとトラルネパントラがメキシコシティでエネルギーを供給します。
前述から、常に同じ川に沿った異なる地点で2つ以上の小さな水力を伝送のために開発する方が、より精巧な水力建設によって単一の大きな発電所で水を集中するより経済的であるとは限りません。単一の大きな水力と電動発電所は通常いくつかの小さなものより初回コストが大きいです、なぜなら必要な運河やパイプラインのためです。この大きな水力投資への部分的な相殺は1つといくつかの伝送線の間のコストの差、または少なくともいくつかの小さな発電所の間の線が必要でそれらのエネルギー出力を使用の地点への単一の線での伝送前に結合するためのコストです。
単一の大きな水力と電気発電所の総超過コストに対して、いくつかの小さな別々の発電所での運用費用の大きな費用を設定すべきです。小さな水駆動電動発電所でさえ、1つの時間に単一の係員で運転できる場合、1日の大部分またはすべてのエネルギーを供給する場合2人の係員が必要です。しかし、単一の係員は容量2,000馬力以上の水力発電所を世話でき、750馬力の2つの発電所は1,500馬力の1つの発電所の運用人員の2倍を必要とします。そのような発電所がその組み合わせ容量の1つのかわりに2つ建設される場合、2人の追加のオペレーターの月給は少なくとも100ドルです。お金が年間6パーセントの価値がある場合、電力が1つの地点に集中するための水力工事に追加の投資$1,200 ÷ 0.06 = $20,000がなされても、年間利子料金が2つの発電所によって必要とされる賃金の増加に等しくなる前にです。
電動水力発電所での運転の信頼性は最も重要な要件の1つで、その建設はこの観点で行われるべきです。アンカーアイスは寒い気候での水車の定期運転への深刻な脅威で、なぜならそれはラックと車輪通路の開口部を詰まらせるからです。アンカーアイスは浅く速く流れる川の水で小さな粒子で形成され、水が接触する固体物質に塊を形成する傾向があります。
ペンストックまたは車輪室の入り口では、すべての浮遊物を車輪から遠ざけるために、長い狭い開口部、例えば1.25インチ幅の鋼ラックが定期的に置かれます。細かいアンカーまたはフラジルアイスを持つ水がこれらのラックに接触する場合、形成されるアイスを掻き取る作業で人を置かない限り狭いバー間の開口部を急速に詰まらせます。ナイアガラフォールズ電動発電所では、一部の事例でラックが詰まった時、それらを上げ、アンカーアイスを車輪を通って下ろすことを許しました。これは効果的な救済であると言われましたが、アイスが車輪自体の通路を詰まらせる場合明らかに役に立たないでしょう。
アンカーアイスに対する最良の保護は、ラックの隣の大きな深いフォアベイで、水が比較的静かで寒い天気が始まった後すぐに凍るでしょう。このフォアベイに下るアンカーアイスは前進運動の大部分を失い、すぐに表面または固いアイスの上塗りの下側に上がり、より暖かい水が底に沈みます。良い建設はペンストックの入り口端をフォアベイの水面の下に十分に置き、それらが少しまたは全くアンカーアイスを含まないより暖かい水を受け取るようにします。
サイズ、フォアベイの深さ、およびペンストックの位置に関するこれらのラインに沿った慣行のイラストは多くのよく設計された発電所で見られます。1つの事例は、ニューハンプシャー州マンチェスターの電動システムに含まれるガービンズフォールズで、5,000馬力のための新しい水力開発が現在進行中です。この場合の水は川から長さ500フィート、底と正常な流線の中間平均幅68フィートの運河を通じて発電所に来ます。高さではこの運河は上端で12フィート、下端で13フィートで、広がる直前のフォアベイのすぐ前です。このフォアベイでは深さが17フィートに増加し、ラックでの幅は運河の2倍です。直径12フィートの鋼ペンストックはそれぞれラックの後ろ平均距離7フィートでフォアベイ壁で終わり、各ペンストックはその中心がフォアベイの水位の下10.6フィートです。この場合ダムによって作成された大きな池があり、運河での水の流れが速いより深いため、おそらくアンカーアイスがこの場合フォアベイに到達する前に表面に上がるのに十分な機会が与えられます。
メイン州ポートランドの照明と電力のためのエネルギーが引き出されるプレサンプスコット川のグレートフォールズの発電所のためのペンストックはそれぞれ直径8フィートで、ラックの後ろのフォアベイ壁を通り、その中心がフォアベイの正常水位の下15フィートです。フォアベイ壁の前では水が27フィート深く立ち、ダムによって形成された池は1,000フィート幅で非常に静かです。メインの気候が冬に非常に寒くプレサンプスコットがダムと池の上では乱流の川であるにもかかわらず、グレートフォールズ発電所でアンカーアイスにトラブルは一度もありませんでした。フォアベイの深い静かな水がこのようなアイスのトラブルに対する救済である事実の優れたイラストがこのように提示されます。
電気供給システムの最大負荷は通常、各24時間中の平均負荷の2倍から4倍です。純粋な照明サービスは平均と最大負荷間の大きな比率に向かい、ランプと一緒に大きなモーター容量は比率を減らす傾向があります。さらに、各24時間中の電気供給システムのエネルギー出力の大部分は正午と真夜中の間に供給されなければなりません。これらの理由で、川の正常な全流量を利用する場合、軽負荷の時期にエネルギーを吸収する蓄電池が使用されない限り、1日の重負荷の時間中に大きなシェアを担うために流れを望ましいように発電所に流すのに十分な水が貯蔵されなければなりません。
毎日の負荷の変動のための水を貯蔵するより電気エネルギーを貯蔵する方が通常はるかに安く、この貯蔵のための唯一の現実的な場所は最も一般的に発電所に水頭を維持するダムの後ろです。この貯蔵スペースは重負荷の時間中のそれへの排水が車輪の水頭を少ししか下げないほど大きくすべきです、さもなければ車輪と発電機のための標準回転速度を維持し、それにより伝送電圧を維持するのが難しいかもしれません。
[イラスト: FIG. 8.–ハドソン川のスピア・フォールズ上流の洪水した谷。]
グレート・フォールズ・プラントでは、日中の異なる部分の負荷変動を提供するための水貯蔵はダムの後ろで行われ、上流約1マイルである。このダムは主部分で450フィート長く、保持壁が総長を約1,000フィートに増加させる。この堤防とダムから上流半マイルの池の平均幅は1,000フィートで、最大深さは27フィート以上である。ステーション容量が主発電機で2,700馬力で、車輪の水頭が35フィートなので、貯蔵容量は1日の負荷変化全てに対して十分以上である。
ハドソン川のスピア・フォールズのダムは、岸間1,820フィート長く、最深部分で岩盤上155フィート高く、川を以前の水位より50フィート上げる。ダムの後ろに幅3分の1マイル、長さ5マイルの湖が形成される。この貯蔵貯水池からの水は80フィートの水頭でタービンを通って下り、32,000馬力を開発する。少しの計算で、この湖が毎日の負荷変動の下で水頭を維持するのに十分であることがわかる。モンタナ州ビュートとヘレナの電気エネルギーを開発するカニオン・フェリーでは、長さ480フィートのダムが上流約半マイル続く狭い峡谷で川を横断する。この峡谷の上では川谷が広がり、発電所の水頭30フィートを維持するダムがこの谷の水を押し戻し、幅2から3マイル、長さ約7マイルの湖を形成する。ステーションの発電機設備の合計定格は10,000馬力である。これらの数字から、この貯蔵湖がステーションがフル負荷で動作する際に正常水頭を数時間維持できることがわかるが、上流の川の流れがどれほど小さいかによる。
[イラスト: FIG. 9.–フーサトニック川のブルズ・ブリッジの運河。]
第VII章。
電動水力発電所の位置。
水力開発のコストは、運転される電動発電所の位置に大きく依存します。そのような発電所の形態、そのコスト、および使用される発電装置のタイプも選択されたサイトによって大きく影響されます。このサイトは車輪を通る水がその自然の経路から転用される地点で正確に、または遠く離れたかもしれません。
前者の種類の位置のユニークな例は、バーモント州バーリントン近くで見つかり、電動発電所はそれ自体ダムで、自然の川床を完全に横断し、その中心近くの島が川を2つの部分に分ける地点のウィヌースキ川の1つの腕です。この地点の川は固い岩を通って道を切り、その両側に垂直の壁を残します。川の床を形成する棚から上がり、岩の壁に入り、長さ約110フィートの発電所が建設されます。この発電所の upstream壁はダムの様式で建設され、下流壁によって強化され、水は車輪を通って発電所を直接流れます。このような構造は経済性の点でよく達成できるすべてで、運河も長いペンストックもなく、ダムから離れた発電所の1つの壁だけです。一方、川床をこのように直接横断する発電所の位置は、upstream壁がダムとして作用する場合に機械を保護するのが不可能です。このように考慮された独特の自然条件はめったに見つかりません。
[イラスト: FIG. 10.–バーモント州バーリントン近くのウィヌースキ川上の発電所。]
電動水力発電所のための最も一般的な位置の1つは、川の1つの側でダムの1つの端の正面でフォールズの足元に近いです。このような位置はマンチェスター、ニューハンプシャー州の電動システムに含まれる水力の1つであるグレッグズフォールズの発電所で採用され、フォールズの噴霧が発電所の屋根の上に上がります。直径10フィートの2本の短い鋼ペンストックがフォアベイセクションのダムから発電所の車輪に水頭51フィートで水を運びます。
[イラスト: FIG. 11.–ミシガン州ブキャナンのセントジョセフ川の運河と発電所。]
類似の位置は、メイン州ポートランドに電気エネルギーを供給するプレサンプスコット川のグレートフォールズの発電所で選択されました（カットを参照）。長さ数フィートでそれぞれ直径8フィートの4本の鋼ペンストックがこの場合ダムのフォアベイセクションから発電所の車輪ケースに水を運びます。
[イラスト: FIG. 12.–ニューヨーク州メカニクスビルのハドソン川上の発電所。]
発電所がちょうど説明されたようにダムの足元に位置する場合、フォアベイ壁として機能する部分は通常各ペンストックのヘッドゲートを持ちます。ちょうど述べられた2つのケースのような場合でオーバーフォールセクションのダムが壊れる場合、発電所を必ずしも破壊せずにですが、洪水や非常に高い水の時期に発電所が洪水しその運転が停止されるかもしれません。そのような洪水のリスクは異なる川で大きく変わり、特定のケースでは非常にわずかかもしれません。発電所をダムの1つの端の足元に近い位置づけは明らかに運河のためのすべての費用を避けペンストックのコストを非常に低い数字に削減します。
そのような発電所の位置は任意の特定の高度のフォールズに限定されず、短いペンストックは通常ダムのトップよりそのベースに近く入り、水平からわずかな傾斜で発電所に通ります。上記のグレートフォールズでは水頭は37フィートです。
ダムから少し下流の好ましいサイトで終わる短い運河が一部の場合ダムの1つの端から建設されます。このような構造はマサチューセッツ州スプリングフィールドに供給されるエネルギーのチコピー川のバーチェムベンドフォールズで採用されました。これらのフォールズは水頭14フィートを提供し、水車は端の開放運河の床に位置します。発電所はこの運河の岸側にあり、水車の軸は運河壁のブッシングを通って、発電所の1つの側の低い部分を形成し、内部の発電機に接続します。
この水車のやや珍しい位置は少なくとも発電所内部に部屋を必要としない明らかな利点を持ちます。さらに、運河が発電所と川の間にあるため、運河の破断は発電所を洪水しない傾向があります。
[イラスト: FIG. 13.–ペンシルベニア州サスケハナ川のヨークヘブン発電所。]
ダムからの非常に短い運河を使用して水を運ぶ例はモンタナ州のカニオンフェリーの10,000馬力発電所に存在し、水頭は30フィートです。この場合の石造りの運河は発電所より少し長く、この後者は運河と川の間に正方形に座り、事実上フォールズの足元です。同じ種類の他の例は水頭16フィートのニューハンプシャー州コンコードで、水頭32フィートのメイン州ルイストンで、水頭80フィートのニューヨーク州ハドソン川上のスピアフォールズで見られます。
多くの場合発電所をダムから数百フィート離れ主川チャネルの少し横に位置づけることでいくらかのセキュリティの利益があります。そのようなケースでは運河は減価償却と修理の項目を考慮すると鋼ペンストックより安いかもしれません。ダムの破断の場合の発電所のより大きなセキュリティの問題を除いて、多くの場合水をその自然の経路から離れる地点から発電所が位置づけられるべき地点まで大きな分数マイル、または数マイル運ぶことが必要です。例として、マサチューセッツ州スプリングフィールドで電動水力発電所の1つがチコピー川の36フィートのフォールズから下流約1,400フィートに位置づけられるのは、電動発電所が建設された時にフォールズに近い土地がすべて占められていたからです。
[イラスト: FIG. 14.–ミズーリ川のカニオンフェリーの発電所。]
[イラスト: FIG. 15.–ショーニガンフォールズ発電所。]
カナダのセントモーリス川のショーニガンフォールズは短い距離離れた2つの地点で発生し、1つの地点の落差は約50フィートで他のものは100フィートです。長さ1,000フィートの運河が上部のフォールズの上から水を取り、下部のフォールズの下の川岸の発電所近くに供給します。この方法で発電所で125フィートの水頭が得られます。この場合の運河は発電所から130フィートの高い地面で終わり、水は直径9フィートの鋼ペンストックを通じて車輪に下ります。
[イラスト: FIG. 16.–オレゴン州ホワイト川の発電所。]
水がその自然の経路から転用される地点から発電所が位置づけられる必要がある条件のもう一つの興味深い例は、ミネソタ州セントポールにエネルギーが伝送されるアップル川のフォールズで見られます。自然の落差30フィート、ダム47フィート高さの上流のある距離、そして川のいくつかの急流により、合計落差82フィートを得ることができました。この全落差を利用するために、ダムから発電所近くの地点まで長さ1,550フィートの木材の樋が建設されました。樋は発電所近くの川岸の下のフォールズと急流の下にありました。樋は長さ313フィートで直径12フィートの鋼ペンストックによって82フィート下の車輪に接続されました。
セントメアリーズ川がスペリオル湖を離れると長さ約半マイルの一連の急流を通り、その距離で20フィート落ちます。この大きな水量の電力を利用可能にするために、湖から急流の下の川岸の地点への長さ13,000フィートの運河が掘削されました。運河の端と川の間には発電所が座り、ダムとして機能し、水は20フィートの水頭の下でそれと車輪を通って下ります。
[イラスト: FIG. 17.–ミシガン州スーセントマリーの運河を横断する発電所。]
セントローレンス川からの長さ16,200フィートの運河により、水頭50フィートに相当する水がニューヨーク州マッセナ近くのグラス川の岸の地点で利用可能になりました。再び発電所はダムとして機能し、運河の水はそれを通って川に到達します。
[イラスト: FIG. 18.–アイダホ州ペイエット川の運河と発電所。]
これらのイラストから、比較的平坦な国では水力が人工のチャネルを通じて数マイル運ばれる水で完全に開発されるだけであることがわかります、そして発電所はその水が転用される地点に位置づけられません。
これまで考慮されたケースは中程度の水頭とかなり大きな水量のものだけです。川が比較的小さくその経路が多数のフォールズと急流でマークされる山岳地帯では、川の電力を満足できる開発を効果的にするためその長さの数マイルを通る落差を利用するのが一般的に必要です。この結果に到達するために、かなり長い運河、樋、またはパイプラインが水を発電所に運び高圧で供給するために利用されなければなりません。
このようなケースでは運河またはパイプラインのコストが電力開発の最大の項目で、このコストを削減または避けるために1つの大きなもののかわりにいくつかの小さな発電所を立てるかどうかは重要な質問です。カリフォルニアは人工のチャネルを通じて数マイル運ばれた水で電動電力開発の多数の例を提供します。このクラスの作業のイラストはシエラネバダ山脈のモケルムネ川の岸のエレクトラ発電所に存在します。水はこの発電所の車輪に水頭1,450フィートの下で近くの丘のトップに導く長さ3,600フィートの管を通じて供給されます。この丘に到達するために、水はダムでのモケルムネ川からの転用の後、運河または溝を通じて20マイル流れ、次に3,000フィートの木製スタブ管を通ります。
同じ種類のもう一つの例は上記の山脈のノースユバ川のコルゲートの発電所で見られます。この川から取られた水はほぼ8マイルの長い木製樋を通って発電所の上700フィートの丘の側に通り、そこから直径30インチの鋼と鋳鉄管、5本を通じて車輪に下ります。
長い樋、運河、およびパイプラインでも、単一の川に沿って多くの発電所を位置づけその全電力を利用するために必要です。このようにシエラネバダ山脈で生まれツラレ湖に注ぐカーン川では、2つの電動発電所が建設中で、3つ以上への測量が行われています。これらの発電所のうち、最低レベルのものは水頭872フィートの下で運転され、この水はその転用後の川から合計長さ約10マイルの21のトンネルと合計長さ1,703フィートのトレッスルに取り付けられた6つの樋を通ります。
上流のすぐ次はちょうど名付けられた発電所のために水が転用される地点近くの発電所です。この第2の発電所は水頭317フィートの下で働き、それのための水はさらに上流の地点から運河、トンネル、および樋で合計長さ11.5マイルです。この川のさらに高い3つの地点で他の3つの発電所をそれぞれ長さ約12.5、15、および20マイルの人工のチャネルで水を導く意図です。
カリフォルニアのさらに南では、ミルクリークに注ぐサンタアナ川とミルクリークで、ちょうど示されたラインで広範な電力開発が行われました。ミルクリークでは、レッドランズの都市から約6マイルで電動発電所が水頭530フィートの下で運転され、水は上流少し下の2マイル未満から転用された部分で長さ10,250フィートで直径30インチの鋼管を通じて下ります。このパイプラインはその上端のもう一つの発電所の尾レースからも水を取ります。いくつかの追加と修正で、ちょうど説明された発電所は1893年に建設された有名なレッドランズ発電所で、アメリカで三相伝送のための最初のものと信じられています。
[イラスト: FIG. 19.–ネヴァーシンク川の運河と発電所、ニューヨーク。]
ちょうど名付けられたパイプラインの上端で第2の発電所は部分的に働き、水は同じクリークからトンネル、樋、およびセメントと鋼管の組み合わせで合計長さ約3マイルで引き出され、いくつかの車輪に水頭627フィートで供給されます。この発電所の他の車輪は同じクリークから長さ約6マイルのパイプラインで引き出された水を受けます。このラインの大部分は溝とトンネルに敷設された31インチのセメント管で構成されます。発電所に近い8,000フィートの管の水は1,960フィートの落差を持ち、この管は鋼で直径24と26インチです。1,960フィートの水頭、鋼管での摩擦損失を引いて、車輪で供給されます。
前述から、ミルクリークに沿った8マイルの空間で2,490フィート以上の落差があることがわかります。この落差を利用するために、水は6マイル以内の3つの地点でクリークから転用され、3つの異なる水頭の下で2つの発電所で供給されます。川が上部と下部の取水口の間で体積を集めるため、等量の電力は3つの別々の導管またはパイプラインをそれに取りそこで3つの水頭でその水を供給する場合にのみ単一の発電所で開発されたでしょう。
導管とパイプラインを単一の発電所に延ばす費用がそれにより得られる利点を相殺する以上かどうかは各ケースで変わる多くの要因で決定されるべき質問です。一般的に、水の量が小さいほどその水頭が大きく、発電機械を最小の現実的な数の発電所に集中するのが有利です。
メキシコシティの15マイル以内にその電気システムにエネルギーを供給する5つの水力発電所があります。これらの発電所の2つはモンテアルト川に、3つはトラルネパントラ川にあり、2つの前者の発電所は約3マイルで、3つの後者のうちより遠いものは5マイル離れています。各川の最高発電所の上のある距離で水は運河で転用され、これらの運河のそれぞれの水は最高発電所の車輪を通った後、同じ川の残りの発電所または発電所に運河の継続で通ります。
[イラスト: FIG. 20.–パイクスピーク発電所への木管ライン。]
発電所をそのような短い距離離して置くことで各発電所の水頭が減らされます。1つの川ではこれらの水頭はそれぞれ492と594フィートで、他の川の2つの発電所ではそれぞれ547と295フィートです。各川が提供する総水頭のこの分割は各発電所の容量をかなり小さくし、5つの発電所の合計はわずか4,225キロワットです。
この数字と対比して、すでに述べられたエレクトラ発電所は容量10,000キロワットの発電機を持ち、サンタアナ発電所は3,000キロワットの発電機を持ち、2つのミルクリーク発電所の大きい方は容量3,500キロワットの発電機を持ちます。運用コストと元の建設のコストは合計容量が等しい1つの大きな発電所といくつかの小さな発電所の間で実質的に変わり、運用コストの利点は明らかに1つの大きな発電所です。
[イラスト: FIG. 21.–グレートフォールズの発電所、プレサンプスコット川。]
ここで考慮されたすべての発電所は水平軸で運転する水車と発電機で装備され、これは一般的な慣行です。この配置は発電機と発電所の床を尾水のレベルの数フィート以内に持ちます。タービンホイールにドラフトチューブの一般的使用で発電所の床は尾水レベルの上20フィート以上にしばしば保たれます。
利用可能な水頭の合計がかなり小さい場合、しばしば水の量が大きい川の場合のように、発電所の床レベルを尾水の数フィート以内に下げるのが一般的に必要です。マサチューセッツ州スプリングフィールドの電動システムのバーチェムベンド発電所はこのような良い例を提供し、この発電所の床は通常の尾水レベルの上わずか2.6フィートです。この発電所では頭水と尾水のレベルの差はわずか14フィートで、名付けられた低い床レベルでさえ水平タービンホイールのトップ側は水で4.5フィートだけ覆われています。
ニューハンプシャー州マンチェスターの電動システムのガービンズフォールズ発電所では発電機室の床のレベルはこの発電所が位置するメリマック川の通常のレベルの上13フィートですが、この場合水頭の合計は約28フィートです。ガービンズフォールズ発電所が建設される前の1896年のメリマックの高い水はこの現在の床レベルの上5.24フィート、発電所が位置する地点の川の通常のレベルの上18.24フィートに到達しました。
マサチューセッツ州チコピー川上のラドロー製造会社のレッドブリッジ電動発電所の下では尾水は床のレベルの下20フィートで水車と発電機軸の中心の下24フィートです。この発電所での車輪軸と尾水レベルの差は水平圧力タービンで達成できる最大に近く、なぜなら25フィートよりはるかに長いドラフトチューブは良い結果を与えないからです。
圧力タービンではガイドと車輪は効率的な運転のために完全に水で満たされなければならず、ドラフトチューブもそうです。ドラフトチューブが25フィートよりはるかに長い場合、各々にタービンから尾水まで固い水の柱を保つのは難しく、これがなされない場合水頭の一部が無効になります。圧力タービンが低水頭の電動発電所でほぼ独占的に使用されるため、水平車輪を直接接続した発電機が使用される場合洪水の時期の可能な尾水レベルの上そのような発電所を位置づけるのはしばしば不可能です。
[イラスト: FIG. 22.–メリマック川のガービンズフォールズの発電所。]
垂直軸のタービンが使用される場合、発電所はすべての電気設備が知られている最高の水位の上にあるように位置づけまたは建設できます。垂直軸で車輪と発電機を接続する場合、電動発電所の主床は電力が開発されるフォールズの頂上より上ではなくそのベースに近いかまたは近くに位置づけられます。
[イラスト: FIG. 23.–ナイアガラフォールズの発電所No.2。]
この計画でレイアウトされた電動発電所の最も重要な例はナイアガラフォールズのそれで、4つのそのような発電所があります。これらの発電所の2つ、合計容量105,000馬力はフォールズの上1マイルに立ち、ナイアガラ川からの短い運河を通じて水を供給されます。これらの2つの発電所のそれぞれの下に長い狭い車輪ピットが岩を通じて運河の水位の下172フィートの深さに掘削されています。両方の車輪ピットは長さ7,000フィートのトンネルで終わり、フォールズの下の川に開きます。
この車輪ピットでは尾水レベルは運河の水のそれの下161フィートで、発電所の床の下166フィートです。水は運河から車輪ピットを下って底近くの車輪に直径7フィートの鋼ペンストックを通じて通り、各車輪ケースから垂直軸が上発電所の発電機に延びます。
ナイアガラのような位置は高い水と流出に対する大きなセキュリティを与えますが、発電所建設の大きな初回コストのためめったに採用されません。水頭数百から2,000フィートの水頭で数フィートの水頭の損失は利用可能な電力をわずかに減らすだけで、インパルス車輪が通常使用されます。ドラフトチューブはそのような車輪で水頭を増加させるのに利用可能ではなく、車輪を離れた後の水の任意の落差は有用な仕事をしません。
[イラスト: FIG. 24.–コルゲート発電所。]
コルゲート、エレクトラ、カーン川、サンタアナ川、およびミルクリークのような大きな水頭の下でインパルス車輪で駆動される電動発電所は、その水路の床の上に洪水からの危険を避けるのに十分遠く位置づけられ、利用可能な電力の深刻な損失なしです。
第VIII章
電気水力発電所の設計。
[イラスト: FIG. 25.–ジョージア州コロンバス発電所の断面図。]
水車は水頭水と尾水の間の何らかの標高に位置づけなければならない。水平シャフトと直接接続されたホイールと発電機の場合、駅の主フロアはホイール中心のレベル以下に置かれる。これは最も一般的な構造タイプであり、ニューヨーク州マセナ、ミシガン州スーセントマリー、モンタナ州カニオンフェリー、カリフォルニア州コルゲート、カリフォルニア州エレクトラ、カリフォルニア州サンタアナ、および他の多くのよく知られた水力発電所で採用されている。ホイールと発電機に水平シャフトが使用され、それらの間にベルトまたはロープ接続がある場合、発電機室のフロアはホイールより数フィート高い位置に置かれる。この標高差は、同じ部屋の上部と下部、またはそれらの間にフロアを置いた別々の部屋によって通常提供される。この後者のような2階建て構造は、古い水力発電所で頻繁に採用され、バーモント州バーリントンの電気供給システムに関連するものと、マサチューセッツ州スプリングフィールドシステムのインディアンオーチャード駅で良い例が見られる。垂直ホイールシャフトは、駅のメインまたは発電機フロアの標高をホイールのものから独立させ、これにより洪水に対する最高度のセキュリティを与える。垂直ホイールシャフトが発電機室に到達した後、それは1つまたは複数のダイナモが直接マウントされた水平シャフトにギア接続されるか、またはベルトまたはロープを通じてダイナモを駆動する。この方法でのベルト駆動、垂直ホイールシャフトにベベルギアで接続された水平シャフトから、古いクラスの水力発電所で一般的ではない。垂直ホイールシャフトのギアで駆動される水平シャフトに単独またはペアでマウントされた発電機は、ケベック州ラシン急流とインディアナ州サウスベンドの発電所で採用されており、垂直ホイールが必要で発電機のコストを低い数字に抑えなければならない場合に望ましい接続方法を提供するようである。この駆動方法により、発電機は任意の経済的な速度で設計でき、ステップベアリングを避けられる。
[イラスト: FIG. 26.–バージニア州リッチモンドの蒸気と水力の複合発電所の断面図。]
[イラスト: FIG. 27.–ミシガン州ブキャナンのホイールハウスの断面図。]
費用が大きすぎない場合、垂直ホイールで発電機を駆動する最も望ましい方法は、各発電機をホイールシャフトの上端に直接マウントすることである（図参照）。この接続方法は、特殊なタイプの発電機を必要とするだけでなく、その速度に深刻な制限を課す可能性がある。一般的に、圧力タービンの周速度は、ホイールが動作する水頭に等しい水頭の下で噴出する水の理論速度の約75パーセントでなければならず、最良の効率を与える。任意の水頭の下で動作するタービンの回転速度は、したがってそれらの容量と直径が減少するにつれて増加すべきである。これらの原則のため、低水頭の下での水平ホイールでは、組み合わせた出力の単一ホイールで得られるよりも大きな回転速度を得るために、各シャフトに2つ以上のホイールをマウントするのが一般的である。したがって、ミシガン州スーセントマリーでは、各400キロワット発電機がマウントされた水平シャフトが、約20フィートの水頭の下で毎分180回転で4つのタービンによって駆動される。ニューヨーク州マセナでは、水頭が50フィートで、各5,000馬力発電機が水平シャフト上の6つのタービンによって毎分150回転で駆動される。垂直タービンは時にはそのシャフトに単独でマウントされ、オレゴン州オレゴンシティのウィラメット川の水力発電所でそうされたが、この慣行は水頭が異常に大きい場合を除いて、適度なコストの直接接続ダイナモに低すぎる速度を与える。オレゴンシティ発電所では、水頭がわずか40フィートで、単一の42インチタービンが各発電機を駆動する垂直シャフトにマウントされた。
[イラスト: FIG. 28.–ミシガン州ブキャナン発電所の縦断面図。]
垂直タービンと直接接続された発電機の最も注目すべき例は、ナイアガラの滝のものであり、4つの駅のうち2つで各5,000馬力の21台の発電機が多くの垂直ホイールシャフトの上部にマウントされている。ナイアガラ駅の各垂直シャフトは、1つがもう1つの上にある一対のタービンによって毎分250回転で駆動される。ナイアガラ運河の水と尾水路を形成するトンネルの水の間の最大水頭は161フィートである。10本のシャフトでは、ホイールケースの中心が運河の水位以下136フィートにあり、ドラフトチューブは使用されない。
[イラスト: FIG. 29.–ナイアガラの滝の発電所No. 2の断面図。]
ナイアガラ発電所の2番目の11対のホイールは、その中心線が運河レベル以下128.25フィートにあり、各一対のホイールのためのドラフトチューブが尾水レベル以下の点まで延びる。同じ垂直シャフトに単一の一対以上のタービンを使用することは完全に実用的であり、スイスのジュラ川のハグネック駅で示されており、水頭が約21フィートで、各垂直シャフトに4つのタービンがマウントされている。これらの各シャフト上の4つのホイールの組み合わせ容量は1,500馬力で、その速度は毎分100回転である。各シャフトの上部には、外部回転磁石フレームを持つ8,000ボルト発電機がマウントされている。各垂直シャフトに4つのホイールを使用することは大きな困難を呈さないし、将来より頻繁に採用されるべきである。
[イラスト: FIG. 30.–ミシガン州ブキャナン発電所の内部。]
水平直接接続タービンホイールと発電機の場合、ほぼ一貫した慣行は、駅の一端から他端まで発電機を単一の列に配置することであり、これによりタービンが平行な列になる。この計画では、各接続された発電機とそのタービングループのシャフトが駅の長い側に直角に設定され、水がホイールに流れる方向とほぼ平行になる。典型的な直接接続ユニットを持つ水力発電所は、したがってペンストックを通じて一側から水が入り、他側から尾水路を通じて出るかなり長く狭い建物である。このような駅は通常、尾水が通る川に平行な長い側の一つを持ち、この川と運河またはパイプラインの間に設定される。ニューヨーク州マセナでは、電気駅は電力運河の端とグラス川の間のダムの位置を占め、幅約150フィート、長さ550フィートである。この駅に入る運河水は、約50フィートの水頭の下でホイールを通って川に通る。似た構造がミシガン州スーセントマリーで採用され、発電所が運河の端をセントメリーズ川から分離する。この駅は幅100フィート、長さ1,368フィートで、80セットの水平ホイールを含み、各セットが独自の発電機に接続され、これらのホイールを通じて運河水が約20フィートの水頭の下で通る。モンタナ州カニオンフェリー駅では、10台の発電機が並び、内部225 x 50フィートで、各発電機が30フィートの水頭の下で一対の水平ホイールによって駆動される。この駅は短い運河とミズーリ川の間に設定され、ダムの近くの一端にある。水頭が50未満から数百または1,000フィートを超えるものに移行すると、駅建物の一般タイプはほぼ同じだが、直接接続ホイールと発電機の配置に重要な変化がある。これらの高い水頭では、水がノズルからジェット形式で供給されるインパルスタイプのホイールが使用される。これらのジェットは、圧力タービンへの水のようにシャフトに平行な線で流れる代わりに、シャフトに直角な平面でホイールに通る。インパルスホイールのシャフトとその直接接続発電機は、したがって駅の短い側ではなく長い側に平行に配置される。この計画は、中程度の水頭の下での直接接続タービンの場合のように、一端の長い側から水が入り、他端から出る長い狭い駅になる。直接接続インパルスホイールを持つ駅は、与えられた数と容量のユニットに対して圧力タービンを持つ駅よりもさらに長い。カリフォルニア州ノースユバ川のコルゲート発電所には、7台の発電機があり、それぞれがインパルスホイールに直接接続され、シャフトがすべて駅の長い側に平行である。この駅は長さ275フィート、幅40フィートで、一側から直径30インチの5本の鉄パイプで入る水が、約700フィートの水頭の下で他側から川に排出される。
[イラスト: FIG. 31.–ワシントン州シアトル市のシーダーレイク近郊の発電所の平面図。]
[イラスト: FIG. 32.–ニューヨーク州スピアフォールズ発電所の基礎。]
[イラスト: FIG. 33.–メイン州グレートフォールズ発電所の平面図。]
カリフォルニア州モケラムネ川のエレクトラ駅では、5対のインパルスホイールが5台の発電機に直接接続され、各ユニットのシャフトが建物の壁に対して斜めで、水が1,450フィートの水頭の下でホイールに届くパイプがある。この発電所のジェネレータールームの平面は40 x 208フィートである。エネルギーがカリフォルニア州ロサンゼルスに83マイル伝送されるカリフォルニア州サンタアナ川の発電所は、内部長さ127フィート、幅36フィートで、4つの生成ユニットが並び、それぞれが直接接続ダイナモとインパルスホイールで構成され、シャフトが駅の長い側に平行である。この駅のホイールを駆動するジェットは、2,210フィート長のペンストックでの摩擦損失を引いた728フィートの水頭の下で届けられる。
[イラスト: FIG. 34.–チコピー川のレッドブリッジ発電所。]
最初のナイアガラ発電所の両方が、ピットの駅のはるか下の垂直ホイールを持ち、長く狭く、発電機が単一の列にある。後者のこれらの2つの駅は、外側約72 x 496フィートの地面面積を持ち、11台の発電機がすべて並んでいる。これらの例から、水平または垂直ホイールのどちらかで、圧力またはインパルスタイプのどちらかで設計された電気水力発電所の主流タイプが、発電機とホイールの単一の列に十分な幅で、必要な数のユニットを収容するのに十分な長さを持つことがわかる。
この一般計画から離れるいくつかの現代駅が見つかる。例えば、メイン州ポートランドの電気供給が引き出されるメイン州プレサンプスコット川のグレートフォールズのもの。この駅はダムのフォアベイ端の約40フィート前に設定され、2つのペンストックが後壁に入り、他の2つが残りの反対側の2つそれぞれを通って入る。4台の発電機のうち、その直接接続ホイールとともに、2つが平行シャフトで配置され、他の2つが線上にあるシャフトを持ち、前者の2つの線に直角である。これらの生成セットを含む駅は、55 x 67.5フィートのフロア面積を持つ。
[イラスト: FIG. 35.–チコピー川のレッドブリッジ駅の平面図と立面図。]
水力で駆動される現代の電気駅は、通常1階建てで、クレーンと屋根トラスを除いてフロアから屋根までクリアである。この構造は、ナイアガラ、ニューヨーク州スピアフォールズ、モンタナ州カニオンフェリー、カリフォルニア州コルゲート、カリフォルニア州エレクトラ、カリフォルニア州サンタアナ川、および他の多くの著名な発電所で見られる。この1階建て構造にもかかわらず、電気駅は発電機の配置と除去でクレーンを操作するためのヘッドルームの必要性から公正な標高に達する。ニューハンプシャー州メリマック川のガービンズフォールズでは、電気駅は各650キロワットの発電機を含み、フロアから屋根トラスの下弦までの距離は27フィートである。マサチューセッツ州チコピー川のレッドブリッジ駅では、各1,000キロワット容量の発電機があり、フロアと屋根ビームの下側間の距離は30.66フィートである。最後に言及された川のバーチェムベンド駅では、フロアと屋根トラス間の距離は26.25フィートだが、各発電機はわずか400キロワットで定格される。モンタナ州カニオンフェリー発電所では、各750キロワットの発電機があり、フロアから屋根トラスまでの距離は28フィートである。カリフォルニア州サンタアナ川の発電所では、750キロワット発電機がインパルスホイールに接続され、毎分300回転で動作し、相対的に小さな直径を持ち、シャフト中心がフロアの上約2フィートにマウントされるようにフロア上のピットにマウントされる。これらの手段により、フロアから屋根トラスまでの距離は18.25フィートに減少した。これらのフロアと屋根サポート間の標高のすべての例は、直接接続発電機と水平ホイールを持つ駅のものである。新しいナイアガラ駅では、各3,750キロワットの発電機がフロアから上昇する垂直ホイールシャフトにマウントされ、フロアと屋根トラス間の距離は39.5フィートである。
水力で駆動される電気駅は現在、石、レンガ、タイル、コンクリート、セメント、鉄、鋼などの燃えない材料でほぼ完全に構築されている。セメントモルタルで敷かれた石積みまたはコンクリート積みは、尾水に接触する基礎のすべての部分で非常に一般的に使用される。サブファンデーションには岩盤が非常に望ましいが、これに到達できない場合、杭が密に打ち込まれ、その上部が石基礎のための数フィートのセメントコンクリートで覆われる。石が豊富またはレンガが得にくい場合、水力発電所の全壁がコンクリートモルタルで石で完全に敷かれることが頻繁にある。レンガが容易に得られる場合、石よりも一般的に使用される。コンクリートをモノリシックな塊に形成するのは、南カリフォルニアの水力発電所の基礎、壁、フロアのための好ましい構造タイプである。セメントとコンクリートは全国の駅フロアで多く使用され、これらのフロアは尾水がホイールを離れた後駅の下を流れる場合に石積みアーチで支持される。駅の屋根は通常鋼トラスまたはIビームで支持され、スレートと鉄が好ましい屋根材料である。鉄屋根プレートの場合、寒い天候で屋根の下側に水が凝縮するのを防ぐために、木材、アスベスト、または他の熱の不良導体の内部ライニングが多く使用される。水力発電所の壁は、通常、それらにかかるすべての荷重を鋼柱の助けなしに支持するのに十分な厚さの石積みが与えられる。クレーンが駅全体に延びない場合、各クレーンの一端が駅壁の一つで支持され、他端がフロアから上昇する鉄または鋼柱の列で支持される場合がある。発電機室のフロアレベルが高水位標以下の場合、この標以上への防水性を確実にするために壁に特別な注意を払うべきである。旅行クレーンとそれがホイールと発電機の設置で運ぶ荷重が駅壁の重量の大部分を形成するため、これらの壁はクレーンのレベルで厚さを半分に減らすことが多く、これによりクレーンの端が置かれるベンチを形成する。
[イラスト: FIG. 36.–ケベック州シャンブレー発電所の鋼ペンストック。]
ニューハンプシャー州メリマック川のガービンズフォールズ駅は、尾水が通る石積みアーチに置かれ、レンガ壁はフロアの上8フィートまで防水されている。フロアの上20フィートで、2つの長い側の24インチレンガ壁が8インチの厚さに減少し、これによりクレーンが走行する各16インチ幅のベンチを形成する。マサチューセッツ州チコピー川のレッドブリッジ駅の24インチレンガ壁は、フロアの上21フィートで12インチに厚さが減少し、これによりクレーンの端のための12インチ幅のベンチを形成する。
カリフォルニア州サンタアナ駅の1つのコンクリート壁は、フロアの上13.5フィートまで2.5フィートの厚さで、次に反対側の壁の1.5フィートの厚さに対応して縮小し、これによりクレーンの一端のための12インチ幅のベンチを形成する。この場合のクレーンの他端は、鉄柱の列のIビームで支持される。
水平タービンを、ペンストックまたはホイールケースの破損の場合に後者を水から保護するために、それらが直接接続された発電機が占める部屋とは別の部屋に配置するのは一般的ではない。このような場合、ホイールと発電機を接続するシャフトはそれらの間の壁を通る。水平タービンは、ホイールシャフトが通る壁に水が押す運河の底に位置づけられるか、またはペンストックの端の鉄ケースに含まれる。この後者の場合、駅の拡張がこれらのケースを含むホイールルームのためにしばしば提供される。このようなホイールルームは長く狭く低屋根で、駅の発電機ルームに平行である。これらのホイールルームのフロアは発電機ルームのフロアとほぼ同じレベルだが、それらの屋根のフロアからの標高は駅の主要部分の同様の標高よりもはるかに小さい。ガービンズフォールズ、レッドブリッジ、およびアップル川の駅は、ちょうど記述されたタイプのホイールルームを持つ。水がそのシャフトに直角な平面で通るインパルスホイールの場合、水パイプの方向変化を避けるために、直接接続ホイールと発電機が同じ部屋を占めるのが望ましく、これはカリフォルニア州コルゲート、カリフォルニア州エレクトラ、カリフォルニア州サンタアナ、カリフォルニア州ミルクリーク、およびそのような機器を使用する他の多くの発電所での配置である。ホイールルームの面積は、低圧の下でのタービンを使用する駅で、ホイールが駅の一側を擁壁とする運河の底に置かれることにより、しばしば減少できる。この計画は、14フィートの水頭のバーチェムベンド発電所と、水頭が約20フィートのミシガン州スーセントマリー駅で採用された。発電機に直接接続された垂直ホイールは、駅のメインルームの真下でなければならず、駅が構築された運河、駅の下部を形成するホイールルーム、またはナイアガラの滝発電所のようにペンストックを通じて供給されるホイールピットにある。
非常に高い電圧を発生する昇圧変圧器は発電機ルームの安全要素ではなく、より良い慣行は、それらを別々の建物に置かない場合、別々のアパートメントに置くことである。ナイアガラの滝発電所では、22,000ボルトで三相電流を届ける変圧器が発電所から運河を横切った建物に位置づけられる。モンタナ州カニオンフェリーでは、50,000ボルト三相で動作する変圧器が発電所の鋼と鉄の追加部分に位置づけられる。最終的に60,000ボルトで動作する予定のカリフォルニア州エレクトラ駅の変圧器は、主建物の拡張に位置づけられ、壁で発電機ルームから分離される。カリフォルニア州サンタアナ発電所では、33,000ボルト変圧器が発電機ルームの一角にグループ化されるが、パーティションがそれらのスペースを部屋の残りから分離しない。カリフォルニア州コルゲート発電所では、40,000ボルトで動作する変圧器が、発電機の列からわずか数フィート離れた駅の長い側の一つに沿って配置される。ミネソタ州アップル川発電所のメインルームの一端は、25,000ボルト変圧器に専ら捧げられ、それらと最も近い発電機の間に約27フィートの距離がある。これらの大きな電圧での変圧器の最高度の安全は、フロア、壁、屋根が完全に不燃材料で作られた別々の部屋に位置づけられることを要求するようである。
[イラスト: FIG. 37.–ハドソン川のスピアフォールズのタービンホイールの1つ。]
中程度の水頭の下で水平タービンホイールに供給される水は、通常一側からペンストックで駅に入り、他側から尾水路で出るが、これはすべての場合に真実ではない。バーチェムベンド発電所では、ホイールが位置づけられる運河が駅と川の間にあるため、水は駅に入ったりその下を通ったりせず、連続した基礎を持つ。再びミネソタ州アップル川発電所では、直径12フィートの単一供給パイプが駅の大きな長さに平行にあり、それと川の間にある。短いペンストックがこの供給パイプから発電所のホイールセクションに通り、水はホイールを通った後、12フィートパイプを支持する石積み桟橋の間で川に流出する。この駅の発電機セクションはしたがってその下に水が流れない。水頭が低い場合と大きな水頭の下での駅の基礎についての尾水の条件の間で興味深い区別が注目できる。前者の場合、水の体積は相対的に大きく、駅の基礎は通常水没し、尾水路のためのスペースを作るために面積が大きく減少する。したがって、49フィートの水頭があるレッドブリッジ駅の基礎は、そのフッティングのほぼすべてが水の下にあり、これらの基礎の上部の総長さ145フィートのうち、下の6つの尾水路が92フィートを切り取る。これらの尾水路はホイールと発電機ルームの両方の下に延びる。
電力がパイプノズルから大きな水頭の下で届けられる水から得られる場合、駅はそれらが排出する小川の水位よりはるか上にあり、駅の下の尾水のための通路は基礎を通る小さなトンネルに縮小する。これらのトンネルの7つがカリフォルニア州サンタアナ川駅で合計幅25フィート未満で、長さ127フィート、水頭が728フィートである。カリフォルニア州コルゲート発電所では、水頭が700フィートで、水は軽負荷の時に駅の下の通路から流出する代わりに、駅が立つノースユバ川の岸を横切ってパイプノズルから射出される。
[イラスト: FIG. 38.–ラドロー製造会社の発電所。]
水力を使用する電気駅のメイン発電機容量のキロワットあたりのフロア面積と蒸気電力を使用するものの比較では、変圧器のためのスペースの問題は完全に省略できる。なぜなら、このスペースの程度はホイールのタイプや位置、水と蒸気の原動力としての違いとは独立だからである。水車とその接続された発電機が別々の部屋を占める場合、低圧の下でのタービンでしばしばそうであるように、ホイールルームは発電機ルームよりも少し短く、一般的に狭い。したがって、レッドブリッジ駅では発電機ルームが141フィート長でホイールルームが約127フィート、 formerは33.33フィートで latterは24フィート幅である。再びアップル川フォールズでは発電機ルームが140 x 30フィートでホイールルームが106 x 22フィート、この場合の発電機ルームは変圧器も含む。これにより、ホイールが運河に位置づけられる場合、駅の総フロア面積をかなり減少でき、20から40パーセントの範囲が容易である。ホイールと発電機ルームの組み合わせのフロア面積の平方フィートあたりのキロワット容量は、生成ユニットの個別容量とともに増加する傾向がある。垂直シャフトの発電機は、水平シャフトの発電機と同じくらいの容量単位あたりのフロアスペースを必要とするようである。レッドブリッジ駅では総容量が6つの水平ユニットで4,800キロワットで、発電機ルームだけの面積がこの容量のキロワットあたり0.96平方フィートである。ナイアガラの滝の垂直ユニットの2番目の駅は、11台の発電機で41,250キロワットの容量を持ち、そのフロア面積はキロワットあたり0.86平方フィートである。大きな直径の狭いインパルスホイールは、輪と発電機を含む部屋がその10,000キロワット容量の単位あたりわずか0.83平方フィートの面積を持つカリフォルニア州エレクトラ駅のように、フロアスペースの節約に傾向がある。カリフォルニア州コルゲート発電所では、発電機の総定格が11,250キロワットで、ホイールと発電機の下のフロア面積はほぼ正確にキロワットあたり1平方フィートである。カリフォルニア州サンタアナ駅は総容量3,000キロワットで、容量の単位あたり1.52平方フィートのフロア面積を持つ。この最後の数字は、レッドブリッジの4,800キロワット駅の発電機定格のキロワットあたり1.72平方フィートと、バーチェムベンドの800キロワット発電所の容量の単位あたり1.75平方フィートと比較できる。
[イラスト: FIG. 39.–アイダホ州ペイエット川の発電所。]
直接接続ホイールと発電機を持つすべてのタイプの水力発電所は、直接接続水平ユニットを持つ蒸気発電所よりも単位容量あたりのフロア面積がはるかに小さい。したがって、ニューハンプシャー州ポーツマスの現代蒸気駆動駅は、エンジンとボイラールームの平面面積16,871平方フィートを持ち、その総容量は4つの直接接続ユニットで4,400キロワットなので、面積は発電機のキロワット定格あたり3.82平方フィートになる。この面積の約46パーセントがボイラールームにある。
電気駅での直接接続水平水車と発電機のためのフロア寸法。
+—————–+———-+————+———–+———+
| | | | 発電機の | 総容量 |
| 駅 |フィート長| フィート幅 | 数 |キロワット|
+—————–+———-+————+———–+———+
|[A]ナイアガラ、No. 2| 496 | 72 | 11 | 41,250 |
|スーセントマリー | 1,368 | 100 | 80 | 32,000 |
|コルゲート | 275 | 40 | 7 | 11,250 |
|エレクトラ | 208 | 40 | 5 | 10,000 |
|カニオンフェリー | 225 | 50 | 10 | 7,500 |
|レッドブリッジ | 141 | 57 | 6 | 4,800 |
|アップル川 | { 140 | 30 } | 4 | 3,000 |
| | { 106 | 22 } | | |
|サンタアナ川 | 127 | 36 | 4 | 3,000 |
|グレートフォールズ| 67.5 | 55 | 4 | 2,000 |
|ガービンズフォールズ| { 62 | 30 } | 2 | 1,300 |
| | { 50 | 23 } | | |
|バーチェムベンド | 56.6 | 26.7 | 2 | 800 |
|ポーツマス |{ 14.4 | 119.66 }| | |
| (蒸気駆動) |{内部だがマイナス360}| 5 | 4,400 |
| |{ 平方フィート }| | |
+—————–+———-+————+———–+———+
[A] 垂直ホイールシャフト。
これらの寸法の一部は駅の内部に、一部は外部に適用される。一部の小さな突起は含まれていない。
第IX章
電気伝送のための交流発電機。
電気伝送システムの発電所にあるダイナモは、一台が故障した場合でも他のものが最大負荷を担えるほど多数であるべきである。発電機が2台しか設置されていない場合、各々が全出力供給できるほど大きくするのが望ましく、したがってダイナモ容量は駅の最大需要を100パーセント上回ることになる。このような大きなダイナモ容量の超過を避けるため、2台以上の発電機を設置するのが一般的である。
他の考慮事項も、伝送システムの発電所におけるダイナモの数を増やす傾向がある。例えば、一つの伝送線が照明専用、もう一つが固定モーター、もう一つが電気鉄道サービス専用である場合、各線が独立したダイナモによって供給されるのが望ましく、鉄道やモーター負荷の変動が照明システムに影響を与えないようにする。
メイン州ポートランドの電灯と電力を供給する伝送システムの発電所では、独立したユニットの考えが実行されており、4台の500キロワットダイナモがあり、それぞれがダムから別々のペンストックを通じて水を供給される一対のホイールによって駆動される。これらのダイナモのそれぞれが4つの独立した伝送回路の一つを動作させる。複数の水力発電所が単一の変電所に供給する場合、各発電所が容量をかなりの数のダイナモに分ける必要がない場合がある。なぜなら、一つの駅を修理のために完全に停止し、その間負荷を他の駅が担うことができるからである。この点の良い例はニューハンプシャー州マンチェスターで見られ、単一の変電所が4つの水力発電所から伝送されたエネルギーを受け取る。これらの発電所の一つでは、1,200キロワットの全容量が単一の発電機にある。
上記のダイナモの数に関する考慮事項は、蒸気駆動と水駆動の両方の駅に等しく適用されるが、他の要因が水頭が比較的小さい水力発電所でダイナモの数を増やす傾向がある。この傾向は、圧力タービン水車の高効率を確保するため、周速度をこれらのホイールが動作する水頭の下で開口部から水が噴出する速度の約25パーセント低くする必要があるためである。この水の速度、したがって圧力タービンホイールの周速度は、水頭の平方根とともに変化する。
[イラスト: FIG. 40.–スーセントマリー発電所のジェネレーター。]
タービンの周速度が動作する水頭によって決定されるため、タービンの直径は容量とともに増加しなければならないので、任意の水頭の下での圧力タービンの回転速度は出力が増加するにつれて減少する。この理由で、タービンへの直接接続で非常に低い回転速度を避けるため、水力発電所でそうでなければ必要とされるよりも多くのダイナモを使用するのがしばしば望ましい。この慣行の注目すべき例は、ミシガン州スーセントマリーのミシガン・レイク・スペリオール・パワー・カンパニーの大規模水力発電所にあり、32,000キロワットの生成容量が各400キロワットの80台のダイナモに分けられている。この発電所の圧力タービンで利用可能な水頭は約16フィートで、その速度は毎分180回転である。この低頭の下でこの適度な速度を得るために、各140馬力のタービンのみを選択する必要があった。これらのタービンの4つが各シャフトに取り付けられ、400キロワットのダイナモを直接接続で駆動するので、合計320のホイールがある。総出力を得るために少ない数のホイールが使用されていたら、それらの速度と直接接続されたダイナモの速度は毎分180回転未満になっていたはずである。ダイナモのコストが非常に低い速度で増加するため、与えられた総容量に対して低い速度の少ない数のダイナモよりも高い速度の多い数のダイナモを設置する方がしばしば安価である。
非常に低い速度を避けるためにそうでなければ必要とされるよりも多くのユニットを使用することは、モンタナ州カニオンフェリーのミズーリ・リバー・パワー・カンパニーの7,500キロワット発電所によってさらに示されている。この容量は、各750キロワットで定格され、約32フィートの水頭の下で毎分157回転で動作する一対の圧力タービンホイールに直接接続された10台の発電機で構成されている。
比較的高い水頭の下では、圧力タービンは非常に大きなサイズを除いて、ダイナモへの直接接続に十分な速度で動作する。
[イラスト: FIG. 41.–ナイアガラの滝の発電所No. 2の内部。]
例えば、ナイアガラの滝発電所では、水頭が136フィートで、各一対のタービンが3,750キロワットの直接接続ダイナモを毎分250回転で駆動する。出力が大きく、各発電機の容量が構造的な理由で望ましいよりも大きくなるほどサービスにセキュリティと信頼性を与えるために必要な発電機の数が多すぎる稀なケースでは、各発電機のサイズを減らすために単に数を増やさなければならない。このような状況はナイアガラの滝に存在し、最初の駅には各3,750キロワットの10台のダイナモがあり、2番目の駅には同容量の11台のユニットがある。
伝送システムの大部分では、発電機は蒸気エンジンまたは水車に直接接続されており、その回転速度は主にこれらの原動機の要件によって決定される。蒸気エンジンはダイナモへの直接接続の望ましい速度を考慮して設計できるが、水車はこの点で柔軟性が低い。各タイプのホイールの周速度は、主に動作する可能性のある水頭によって決定され、この速度からの変動は効率の深刻な損失を意味する。
[イラスト: FIG. 42.–ナイアガラの滝のカナダ発電所の10,000 H. P. 12,000 Voltジェネレーター。]
100フィートをはるかに超える水頭の下では、圧力タービンはすべての非常に大きなサイズを除いてかなり高い速度で動作する。水車を低い速度でベルトで高い速度のダイナモに接続するのがはるかに一般的であるが、いくつかの事例では、ワシントン州スポケーンの照明発電所のように、高い速度のホイールが低い速度のダイナモにベルト接続される。かなり高い水頭の下で適度なダイナモ速度を得るもう一つの計画は、大型タービンまたは一対のタービンのシャフトの各端にダイナモをマウントすることである。この計画は、ケベック州シャウィニガンの滝のロイヤル・アルミニウム・カンパニーの発電所で採用されており、2対の水平タービンホイールがあり、各対が125フィートの水頭の下で3,200馬力を発生し、そのシャフトの各端に直接結合されたダイナモを駆動する。垂直ホイールが使用される場合、垂直シャフトに直接マウントするための特殊なダイナモを設計するよりも、ベベルギアで水平シャフトの標準タイプのダイナモを駆動する方が望ましい場合がある。この後者の計画は、ナイアガラの滝の2つの発電所での非常に大規模な作業で正当化され、21台の3,750キロワットダイナモが各々タービンの垂直シャフトに直接接続されている。このタイプの接続は頻繁に採用されるものではないが、もう一つの地点–オレゴン州ポートランド–では、各ダイナモがその垂直タービンホイールのシャフトに直接マウントされている。
水車が数百フィートの水頭の下で動作しなければならない場合、通常、圧力タービンを放棄し、インパルスホイールのタイプの一つを採用する必要がある。このクラスのホイールでは、最高効率の周速度は任意の水頭の下での水の噴出速度の半分のみである。これにより、インパルスホイールは同直径の圧力タービンの約3分の2の周速度、したがって毎分の回転数が約3分の2になる。しかし、水をインパルスホイールの円周上の1つまたは複数の点に適用できるため、このようなホイールは与えられた水頭の下で等しい出力に対して圧力タービンよりもはるかに大きな直径を持つことができる。
[イラスト: FIG. 43.–ハドソン川のメカニクスビル発電所のジェネレーター。]
[イラスト: FIG. 44.–ケベック州シャンブレーの発電所のジェネレーター。]
水頭に対する低い周速度と出力に対する大きな直径のこれらの特性は、大きな水頭を使用しなければならない場合にインパルスホイールをダイナモへの直接接続に適したものにし、それらは一般的にそのような場合に使用される。これは特に、水力が大きな体積よりも大きな水頭に依存する太平洋岸で真実である。カリフォルニア州コルゲートのベイ・カウンティーズ・パワー・カンパニーの発電所では、ダイナモは700フィートの水頭の下で動作するインパルスホイールに直接接続されている。この発電所の3台の2,250キロワットダイナモのそれぞれが毎分285回転で動作するホイールシャフトにマウントされており、4台の1,125キロワットダイナモのそれぞれがインパルスホイールによって毎分400回転で直接駆動される。カリフォルニア州エレクトラのスタンダード・エレクトリック・カンパニーの発電所では、インパルスホイールが1,450フィートの水頭の下で毎分240回転で動作する。これらのホイールの5対のそれぞれが2,000キロワットのジェネレーターを直接接続で駆動する。これらのホイールの水頭が1,450フィートであるため、その噴出速度は約毎秒300フィート、または毎分18,000フィートである。各ホイールは直径11フィートなので、毎分240回転の速度は周辺を毎分9,000フィート未満、つまり水の噴出速度の約半分にする。これらの2つの大規模発電所は、大きな水頭の下でのインパルスホイールが直接接続されたダイナモに適した速度を与えられる方法の優れた例である。
[イラスト: FIG. 51_a_. ブリティッシュ・コロンビア州バンクーバー近郊のバーラード入り江発電所の水車とジェネレーターの平面図と立面図。]
電気伝送システムの発電所で使用される交流発電機の3つのタイプは、回転電機子、回転磁石、インダクターである。
回転電機子は比較的少ない伝送システムのダイナモで使用され、最近のものではほとんど使用されない。伝送作業のための主流の交流発電機のタイプは、内部回転磁石と外部固定電機子を持つものである。このタイプは、モンタナ州カニオンフェリーの大規模水力発電所、ミシガン州スーセントマリー、およびナイアガラの滝の後期発電機すべてで採用されている。ナイアガラの滝の初期の16台の垂直発電機では、回転磁石が固定電機子の外部にあるが、この構造は高い初期コストと内部電機子のアクセスしにくさの欠点があり、他の場所で採用される可能性は低い。
[イラスト: FIG. 46.–ブリティッシュ・コロンビア州バンクーバー近郊のバーラード入り江発電所の水車とジェネレーターの立面図。]
インダクター交流発電機は、電機子と磁石コイルの両方が固定されており、適切な鉄構造のみが回転するものであり、比較的少ない数の伝送システムで使用されるが、この数はいくつかの最大発電所を含む。カリフォルニア州コルゲート発電所の7台の交流発電機は合計11,250キロワットの容量で、同州のエレクトラ発電所の5台の交流発電機は10,000キロワットの容量で、すべてインダクタータイプである。一般的に構築されるように、インダクター交流発電機の磁石巻線は1つまたは2つの非常に大きなコイルのみで構成され、いくつかの場合直径10フィートにもなる。これらの大きな磁石コイルの修理は、事故の場合、間隔回転磁石で使用される小さなコイルの修理よりも深刻な問題を呈するようである。満足のいく動作特性に関しては、インダクター交流発電機と回転磁石を持つものは同等であるが、構造的な理由でインダクター交流発電機は過去よりも将来に少なく構築されるだろう。
ほぼすべての長距離伝送は現在、二相または三相電流で行われている。最も注目すべき二相設置はナイアガラの滝のものであり、元の10台の発電機と2つの大規模発電所で後で追加された11台のダイナモがすべて二相タイプである。モンタナ州カニオンフェリーでは、最初の4台の750キロワット発電機が二相であったが、後で設置された同容量の6台の機械は三相である。大きな容量の最新発電所や非常に長い伝送を含むものでは、三相機械が一般的に採用されている。これはカリフォルニア州のコルゲートとエレクトラ発電所、およびミシガン州スーセントマリーのものに真実である。
[イラスト: FIG. 47.–メリマック川のガービンズフォールズ発電所の内部。]
[イラスト: FIG. 48.–プレサンプスコット川のグレートフォールズ駅の500キロワットジェネレーター。]
周波数に関しては、既存の慣行はカリフォルニア州メアリーズビルのラインでの毎秒133サイクルから、ワシントン＆ボルチモア電気鉄道の伝送でのわずか15サイクルまで広がっている。
より一般的な慣行は25から60サイクルの間である。ナイアガラの滝は25サイクルのための最初の大きな発電所を見たが、その周波数の他のものは現在、一般配布のための電灯と電力の供給に従事している。電気鉄道ラインへの伝送では、25サイクルの周波数が広く使用されており、その著名な例はニューハンプシャー・トラクション、バークシャー、およびオールバニー＆ハドソンシステムで見られる。
[イラスト: FIG. 49.–ジョージア州コロンバスの水力発電所。]
25サイクルのシステムの強みは、合理的な数の極、電機子スロット、および整流子バーを持つロータリーコンバーターを通じて連続電流の供給に適していることである。
[イラスト: FIG. 50.–モントリオールのシャウィニガン変電所でモーターに接続された1065キロワット、2300ボルトジェネレーター。]
一方、変圧器のコストは毎秒25サイクルの電流でより高い周波数よりも大きく、この電流は白熱照明に耐えられるだけで、発生する光の変動特性のためアークランプには全く適さない。毎秒15サイクルでは、電流はフリッカーを避けるための非常に太いフィラメントを持つランプなどの特殊な装置によってのみ、白熱照明に満足のいく結果で使用できる。非常に低い変動はインダクタンスと共振の望ましくない効果を低減するが、これらの効果は他の方法で大幅に避けられる。
伝送システムの主な目的が電力供給である場合、照明施設にいくらかの不利があっても、システムの周期数をかなり小さく採用する明確な傾向がある。これは、ミネソタ州セントアンソニーの滝からの35サイクルでの伝送、コロラド州カニオンシティからクリップルクリークへの30サイクル、ミシガン州スーセントマリーの32,000キロワット発電所の30サイクル、およびナイアガラの滝の2つの78,750キロワット発電所の25サイクルによって示されている。
伝送システムの主な目的が一般配布のための電灯と電力の供給である場合、60周期毎秒が多くの場合標準として採用される。この周期数は小さいものと比較してロータリーコンバーターのコストを増加させる傾向があるが、変圧器のコストを減少させ、白熱およびアーク照明の両方に適している。
[イラスト: FIG. 51.–シャウィニガン伝送線のモントリオール変電所のモータージェネレーターの効率曲線。]
60サイクルを超える周波数で最近設置された伝送システムはほとんどなく、より高い数字で動作した古い発電所はほとんどの場合改装されている。
過去10年間で交流発電機の電圧は大幅に増加したが、長距離伝送ラインでの高圧の需要に追いついていない。10年前、最初の長距離伝送が運用開始されたとき、交流発電機の2,000ボルトは高いと考えられていた。この電圧は3〜4マイルより長い導体の経済性に低すぎるため、重要な初期伝送はすべて発電所での昇圧変圧器の助けで実施された。当時の慣行は、そしてかなりの程度今も、交流発電機を経済的な構造に適した電圧の伝送のために設計し、次に必要なライン電圧を得るために必要な任意の比率の昇圧変圧器を与えることである。
伝送システムの交流発電機。
+———————-+———————————————-+
| |発電所での数。 |
| | |各キロワット。 |
| | | |交流発電機電圧。 |
| | | | |相。 |
| | | | | |サイクル。 |
| | | | | | |R. P. M. |
| | | | | | | |磁石のタイプ。 |接続|
|システムの場所。 | | | | | | | |方法|
+———————-+–+—–+——+-+—-+—–+———+——-+
|ナイアガラの滝[A] |16|3,750| 2,300|2|25 |250 |外部 |直接 |
| | | | | | | |回転 | |
|ナイアガラの滝[A] | 5|3,750| 2,300|2|25 |250 |内部 | „ |
|コルゲートからオークランド| 3|2,250| 2,400|3|60 |285 |インダク | „ |
| | | | | | | |ター | |
|コルゲートからオークランド| 4|1,125| 2,400|3|60 |400 | „ | „ |
|エレクトラからサンフランシスコ| 5|2,000| ….|3|60 |240 | „ | „ |
|ポーツマスからペルハム| 1|2,000|13,200|3|25 | 83.3|内部 | „ |
|ポーツマスからペルハム| 2|1,000|13,200|3|25 | 94 | „ | „ |
|バージニアシティ | 2| 750| 500|3|60 |400 |外部 | „ |
|オグデン＆ソルトレイク| 5| 750| 2,300|3|60 |300 |内部 | „ |
|ショーディエールの滝 | 2| 750|10,500|3|66.6|400 | „ | „ |
|ヤドキン川の滝 | 2| 750|12,000|3|66 |166 | „ | „ |
|メイン州ルイストン | 3| 750|10,000|3|60 |180 | „ | „ |
|ファーミントン川 }| | | | | | | | |
| から }| 2| 750| 500|3|60 |… | „ | „ |
|コネチカット州ハートフォード}| 2| 600| 500|2|60 |… | „ | „ |
|カニオンフェリーからビュート|10| 750| 500|3|60 |157 | „ | „ |
|アップル川からセントポール| 4| 750| 800|3|60 |300 | „ | „ |
|ロサンゼルスのエジソン社| 4| 700| 750|3|50 |… | „ | „ |
|マドリードからブランド| 2| 600| 605|3|60 | 90 | „ | „ |
|カニオンシティからクリップル| | | | | | | | |
|クリーク | 3| 450| 500|3|30 |… | ….. | „ |
|スーセントマリー |80| 400| 2,400|3|30 |180 | „ | „ |
|ケベック州セントイアサント| 3| 180| 2,500|3|60 |600 | „ | „ |
|グレートフォールズから| | | | | | | | |
|メイン州ポートランド | 4| 500|10,000|3|60 |225 | „ | „ |
+———————-+–+—–+——+-+—-+—–+———+——-+
[A] ナイアガラの滝電力会社。
したがって、コネチカット州ハートフォードの電気供給システムに関連する2つの水力発電所では、交流発電機は500ボルトで動作し、変圧器がライン電圧を10,000に上げる。ミネソタ州セントポールの照明システムを供給するアップル川駅では、交流発電機は800ボルトで動作し、これをラインのために25,000ボルトに上げる。カニオンフェリーでは、交流発電機の500ボルトが変圧器で100倍され、ラインに50,000を与える。
[イラスト: FIG. 52.–ニューハンプシャー・トラクション社の伝送ライン。]
伝送システムの発電所が負荷の一部に近い場合、交流発電機は配布に適した電圧、例えば約2,400を与えられ、次にライン上の任意の必要な圧力を得るために昇圧変圧器が使用される。ナイアガラの滝の2つの発電所はこの慣行の例であり、そこでのすべての交流発電機の電圧は2,200で、そのエネルギーの一部をニューヨーク州バッファローへ伝送するために22,000に上げられる。似た慣行はオグデンの水力発電所で採用され、発電機は地元配布のために2,300ボルトの電流を供給し、変圧器がユタ州ソルトレイクシティへの伝送のために圧力を26,000ボルトに上げる。ミシガン州スーセントマリーの32,000キロワット発電所では、交流発電機は2,400ボルトで動作し、その負荷の大部分は地元であるが、この電圧は伝送ラインが運用されたときに変圧器によって上げられるだろう。
地元負荷をほとんどまたは全く担わない発電所では、発電機が伝送ラインで必要な電圧を発生する場合、変圧器のコストを節約できる。この可能な節約は、電機子コイルで15,000もの高い電圧を発生する交流発電機の開発につながった。このような交流発電機はすべての場合で固定電機子を持ち、回転磁石またはインダクタタイプのいずれかである。
現在、アメリカ合衆国で10,000ボルト以上で動作する多くの伝送システムがこれらの圧力を交流発電機の電機子コイルで発生しており、そのようなシステムの数は急速に増加している。ライン電圧が15,000未満の新しい作業で昇圧変圧器を省略するのが今や例外ではなく規則である。おそらく現在定期運用中の交流発電機の電機子コイルからの電流で最長の伝送ラインは、ポーツマス発電所とニューハンプシャー・トラクションシステムのペルハムの変電所の一つ間の13,200ボルトでのもので、距離は42マイルである。
少なくとも一つの現在建設中の伝送システム、ワシントン、ボルチモア＆アナポリス電気鉄道のものでは、昇圧変圧器の介在なしにラインを供給する発電機の電圧は15,000になる。
これらの交流発電機を作っている会社は、需要があれば電機子コイルで20,000ボルトを発生する他のものを供給する準備ができていると言われている。約13,000ボルトの交流発電機が電気鉄道ライン沿いの伝送のためにかなりの数で設置されている。
交流発電機
高電圧交流発電機を使用するシステム。 電圧。
オンタリオ州電気開発会社、ナイアガラの滝 12,000
照明と路面電車、ニューハンプシャー州マンチェスター 10,000
照明と路面電車、ニューハンプシャー州マンチェスター 12,500
照明と電力、メイン州ポートランド 10,000
照明と電力、メイン州ノースゴーラム 10,000
マリソン・パワー社、メイン州ウェストブルック 10,000
照明と電力、メイン州ルイストン 10,000
電気鉄道、ニューハンプシャー州ポーツマス 13,200
電気鉄道、マサチューセッツ州ピッツフィールド 12,500
ラドロー・ミルズ、マサチューセッツ州ラドロー 13,200
電気鉄道、マサチューセッツ州ボストンからウースター 13,200
電気鉄道、ニューヨーク州オールバニー＆ハドソン 12,000
エンパイア・ステート・パワー社、ニューヨーク州アムステルダム 12,000
レハイ・パワー社、ペンシルベニア州イーストン 12,000
ハドソン川パワー社、ニューヨーク州メカニクスビル 12,000
照明と電力、サウスカロライナ州アンダーソン 11,000
フリーズ製造社、ノースカロライナ州セイラム 12,000
照明と電力、コロラド州アウレイ 12,000
ワシントン＆ボルチモア電気鉄道 15,000
カナディアン・ナイアガラ・パワー社、ナイアガラの滝 12,000
オンタリオ・パワー社、ナイアガラの滝 12,000
この高電圧交流発電機のリストは網羅的なものではないが、それらの広範な適用を示す。容量単位あたりで低電圧交流発電機プラス昇圧変圧器よりも低い価格でこのような交流発電機を購入できる場合、伝送システムに高電圧機械の明らかな利点がある。この利点は、ライン電圧を発生する交流発電機の効率が低電圧交流発電機プラス昇圧変圧器の組み合わせよりも高い部分にあるかもしれない。しかし、高電圧発電機の減価償却と修理が低電圧発電機の同様の料金よりも実質的に大きいかどうかは確かではなく、この偶発事態をカバーするために価格のいくらかの利点が必要である。
交流発電機の電圧を実際の目的でどれだけ押し上げられるかは不確かであるが、固体絶縁に十分なスペースがあり、コイルを油に浸すことができる変圧器の限界よりもはるかに低いはずである。10,000ボルト以上の発電機の使用は、伝送ラインのマイルあたりのボルトを下げる傾向があり、一部のケースではポーツマスからペルハムへの42マイル伝送のように、昇圧変圧器を追加するよりもライン導体の重量を増やす方が良いようである。
第X章。
送電システムにおける変圧器。
変圧器は、長距離の電気送電システムではほぼ常に必要である。なぜなら、線路電圧が発電機の電圧よりも高いか、少なくとも配電の電圧よりも高いためである。発電所または受電所での変圧器は、投資の増加を意味し、対応する作業容量の増加なしに追加の運用損失を生じるため、可能な限りその使用を避けることが望ましい。15マイル未満の短距離送電では、発電所での変圧器の使用を避けるのが一般的により良い。場合によっては、送電距離が2～3マイルしかない場合、変電所での変圧器を省略する方がさらに経済的である。
したがって、エネルギーを2マイル送電し、工場で大型モーターに適用したり、2,500ボルトで配電したりする場合、三相送電線用の裸銅導体のコストは、銅が1ポンドあたり15セントで、フルロード時の損失が5パーセントの場合、線路容量1キロワットあたり約6ドルである。このような線路の平均損失は、おそらく一組の変圧器とより高い電圧の線路の損失と同じくらい小さい。さらに、変圧器なしの2,500ボルト発電機と線路の初期コストは、より高い電圧の発電機と線路および変電所での降圧変圧器のコストよりも低い。
現在、13,500ボルトまでの発電機が定期的に製造されているため、比較的短距離の送電システムの主発電所では昇圧変圧器を省略するのが一般的である。この慣行は、マンチェスター、N.H.への13,500ボルト送電、ルイストン、Me.への10,000ボルト送電、セーラム、N.C.への12,000ボルト送電で採用された。
25マイル以上のほとんどの送電では、発電所での昇圧変圧器と変電所での降圧変圧器が使用される。これまで、送電線で実用的に使用された最高電圧（つまり50,000～60,000）は、実験作業で変圧器が生成した圧力よりもはるかに低い。これらの後者の電圧は、多くの場合で100,000を超えている。主発電所で使用される変圧器の数と容量は、そこにある発電機の数と個別容量との関係で大きく異なる。場合によっては、変圧器の数が三相発電機の3倍であり、各変圧器の容量は各発電機の容量の3分の1またはそれよりやや大きい。
[イラスト: FIG. 53.–モントリオール中央変電所の変圧器。]
したがって、ハドソン川のスピア・フォールズ発電所では、アルバニーや他の都市に電力を送電しており、昇圧変圧器の数は30で総容量は24,014キロワットである。一方、三相発電機の総数は10で、合計容量は24,000キロワットである。もう一つの慣行は、各変圧器の容量を三相発電機の容量の3分の1より大きくし、変圧器の総数を発電機の数の3倍未満にすることである。このような例は、セントポールに電力を送電するアップル川発電所に存在する。この発電所には、750キロワット各の三相発電機が4台あり、500キロワット各の変圧器が6台あり、これらはそれぞれ3台ずつの2組に接続されている。各三相発電機に3台の変圧器を使用する代わりに、2～3台の発電機に3台の変圧器を使用する方が、使用中の変圧器をフルロードに保ち、したがって効率を高める傾向がある。一方、効率は変圧器のサイズが大きくなるにつれて少し増加し、単位容量あたりの初期コストは各サイズが大きいほど低くなる傾向がある。
この問題のもう一つの解決策は、各三相発電機に1台の変圧器を提供し、各変圧器に3組のコイルを巻き、発電機の全出力がそれに入るようにすることである。この慣行は、オーリコン、スイスに電力を送電するホッホフェルデン水力発電所で採用されており、また、26,000ボルトのエネルギーを複数の工場に送電するグルノーブル、フランスの水力発電所でも採用されている。三相変圧器を使用すると、各発電機とその変圧器が独立したユニットを形成し、任意に線路に接続できるため、変圧器をフルロードに保つ傾向がある。
三相変圧器はヨーロッパで多く使用されているが、アメリカ合衆国ではこれまでほとんど適用されていない。単相変圧器はもちろん、使用する三相発電機の数に制限されるが、そのような変圧器は定期的に2台または3台のグループで発電機と線路に接続されなければならない。そのような設備は、ミズーリ川のカニオン・フェリーにある7,500キロワット発電所で部分的に提供されており、そこには750キロワット各の三相発電機が10台ある。この発電所の変圧器には、325キロワット各のものが12台あり、それぞれ3台ずつの4組に接続されており、また950キロワット各の変圧器が6台あり、これらも3台ずつのグループに接続されている。これらの大型変圧器のうち3台は、2,850キロワットの容量を持ち、4台の発電機の容量にほぼ等しい。
二相発電機の場合、単相変圧器はペアで接続され、各発電機に2台の変圧器を提供するのが一般的である。したがって、ファーミントン川のレインボー発電所では、ハートフォードにエネルギーを送電しており、二相型の発電機が2台あり、それぞれ600キロワット定格で、300キロワット定格の変圧器が4台ある。
変圧器の過負荷時の調整が発電機ほど良くないため、各変圧器グループに発電機または発電機群のエネルギーが通過する容量よりやや大きい容量を与えるのが良い慣行のようである。この計画は、カニオン・フェリー発電所で明らかに採用されており、そこでは総発電機容量が7,500キロワットで、昇圧変圧器の総容量は9,600キロワットである。そこにある325キロワット変圧器の各グループは975キロワットの容量を持ち、各発電機は750キロワットのみである。通常、二相または三相発電所での変圧器グループの数は、発電所が供給する送電回路の数より大きくされるが、これは先ほど考慮した理由の一部によるものである。これがそうでない場合、少なくとも各回路が他の回路から独立した変圧器で運用できるように、送電回路の数だけ昇圧変圧器のグループを持つことが一般的には望ましい。
変電所では、各送電回路ごとに変圧器のグループを持つことが望ましく、さらに変圧器の容量を細分化して運用中の変圧器をほぼフルロードに保つか、各種類のサービスまたは各配電回路ごとに変圧器のグループを提供する必要がある場合もある。変電所のすべての変圧器は、受けるエネルギーの発電機の容量から昇圧変圧器と線路の損失を引いた容量に少なくとも等しい総容量を持つべきである。変電所の変圧器は、発電所の変圧器の数や個別容量と必ずしも対応せず、変電所の変圧器の数は、それらに供給される発電機の数と必ずしも関係がない。
カニオン・フェリーからビュート変電所まで2つの送電回路が延びており、その変電所には950キロワット定格の変圧器が6台あり、三相運用で2つのグループに分けられている。この変電所設備は、発電所の950キロワット変圧器6台にのみ対応する。なぜなら、そこにある小型変圧器の4つのグループはヘレナへの送電線に供給するために使用されているからである。
アップル川発電所の全出力を受けるセントポール変電所では、500キロワット各の変圧器が6台あり、2つの三相送電回路からエネルギーを受ける変圧器が10台ある。これらのうち6台は300キロワット定格である。300キロワット変圧器はそれぞれ3台ずつの2つのグループに接続され、200キロワットはそれぞれ2台ずつの2つのグループに接続され、三相から二相に電流を変換している。変電所の変圧器の総容量はこうして2,600キロワットであり、発電所の変圧器の容量は3,000キロワットである。水力発電所に4台の発電機がある一方で、変電所には10台の変圧器があり、そこですべてのエネルギー（損失を除く）が供給される。
ワーターブリートでは、スピア・フォールズにある大型発電所のシステムのいくつかの変電所の1つが位置しており、各変圧器の容量は1,000キロワットであるが、スピア・フォールズの各変圧器の定格はこの数値以下である。
マンチェスター、N.H.の変電所では、4つの水力発電所からほぼすべてのエネルギーを受けており、それらの発電所には総容量4,030キロワットの発電機が8台あり、総定格4,200キロワットの降圧変圧器が21台設置されている。これらの21台の変圧器は、5つが三相で1つが二相の6つの回路から供給される。変圧器の一部はモーター発電機に電流を供給し、路面電車用の500ボルト電流を生成し、残りの変圧器は交流を配電する回路に供給する。
これらの例から、実際には変電所で各送電回路ごとに1つまたは複数の変圧器グループが使用され、これらの変圧器の総数はそれらにエネルギーを供給する発電機の数と等しいか数倍であり、変圧器の個別容量は単一発電機の容量の3分の1未満からそれ以上までの範囲であることがわかる。
主発電所の変圧器グループは、一次巻線で発電機の電圧に、二次巻線で送電線の電圧に対応しなければならない。変電所の変圧器は線路電圧で電流を受け取り、地元配電で望まれる圧力でそれを供給する。昇圧変圧器が使用される場合、発電機の圧力はほぼすべての場合で500～2,500ボルトの間のどこかにある。
カニオン・フェリー発電所では、変圧器の電圧は一次巻線で550、二次巻線で50,000である。オークランドにエネルギーを送電するコルゲート発電所では、2,400ボルトの発電機圧力が変圧器により40,000ボルトに上げられる。アップル川発電所の電圧は800で、変圧器がセントポールへの線路のために圧力を25,000に上げる。ナイアガラの滝発電所の変圧器は、2,200から22,000に電圧を上げ、バッファローへの送電を行う。
変圧器は一次および二次コイルで任意の望まれる電圧比で巻くことができるため、昇圧変圧器が使用される場合、最も経済的な建設を可能にする発電機圧力を選択できる。一般的に、各発電機の容量が大きいほど、その電圧と昇圧変圧器の一次コイルの電圧が高くなるべきであり、経済的な建設のためである。変電所では、配電の要件が明らかに変圧器の二次電圧を固定する。
変圧器の重量とコストは、使用される交流の周波数に部分的に依存し、他の要因が一定の場合、電流が1秒あたりに完了するサイクル数が高いほど変圧器は軽く安価になる。この事実にもかかわらず、数年間の傾向は低い周波数に向かっている。なぜなら、低い周波数は送電システムでの誘導効果、誘導モーターを通じた電力配電、ロータリーコンバーターの建設と運用、発電機の建設で顕著な利点を示すためである。長距離送電が最初に重要になったときの交流システムで一般的だった133サイクル/秒の代わりに、60サイクル/秒が現在そのような送電システムでの電流変化の最も一般的な速率である。しかし、実践は常にさらに低い周波数に拡張されている。最初のナイアガラの滝発電所は25サイクル/秒で、一般配電の下限に達した。なぜなら、この数値では白熱照明がわずかに満足でき、アーク照明は明らかに望ましくないためである。
カニオン・フェリーからビュート、コルゲートからオークランド、エレクトラからサンフランシスコへの大規模送電が60サイクルで運用されているのに対し、コロラドのカニオンシティとクリップルクリーク間のシステム、およびソールト・サント・マリーの大規模発電所は30サイクル電流を使用し、スピア・フォールズからスケネクタディ、アルバニー、トロイへの線路は40サイクル/秒の電流を意図している。これらの例から、変圧器の体積とコストが送電システムでの電流周波数の選択の支配要因ではないことがわかる。
[イラスト: FIG. 54.–サラトガ変電所の1階。]
発電所または変電所で使用される変圧器は、多くの場合で特別な手段で冷却される。
いわゆる人工冷却の利点は、変圧器の重量と初期コストが小さく、巻線の絶縁の寿命が長いかもしれないことである。これらの利点のためには、運用コストのわずかな増加を支払わなければならない。発電所の変圧器は通常、圧力下で空気をケースに強制的に通すか、変圧器ケースに充填された油の中にパイプを通す水で冷却される。空気噴射冷却が採用される場合、電動モーターまたはそれを運転する他の動力源を備えたブロワーを提供しなければならない。変圧器が油絶縁で水冷却の場合、循環を維持するための圧力が必要である。水力発電所のほとんどで変圧器の冷却に適した水頭の下で自由水が得られる場合、コストは非常に少ない。水を購入し変圧器を通すためにポンプで送る必要がある場合、そのコストは通常空気噴射冷却のコストより大きい。ある製造業者は、フルロードで運用する場合に、おそらく変圧器の温度が35℃を超えて上昇しないように、15℃の水を変圧器に強制的に通す速率の近似値を以下のように与えている。
変圧器–キロワット。ガロン/分。
150 0.5
400 .75
400 1.00
1,000 1.5
75 .37
主発電所または変電所での変圧器を冷却する空気噴射は、2つの方法のいずれかで提供できる。1つの計画は気密の区画を構築し、その上部の開口部の上に変圧器を配置し、外側から冷たい空気を吸い込むブロワーファンにより区画に圧力を維持することである。このような配置は、マンチェスター、N.H.の変電所で実施されている。この変電所の地下室は気密で、その上のコンクリート床には27個の長方形の開口部があり、それぞれ25×30インチで、200キロワット変圧器の設置を意図している。これらの開口部上の総変圧器容量はこうして5,400キロワットになる。この地下室の圧力は、変電所の外側約9フィート上の地上でフードで終わる金属ダクトを通じて外気を取り込むことで維持される。この変電所の屋根には、変圧器を通って強制された熱い空気の出口を許す十分な天窓開口部がある。気密の地下室には、圧力を維持するブロワーに接続された10馬力の電動モーターが2台ある。この場合、各200キロワット容量の変圧器ごとにモーター容量が1馬力未満であることに注意できる。
冷却される変圧器が6台または9台を超えない場合、各3台の変圧器グループごとに別々のモーターとブロワーを提供し、各ブロワーから金属ダクトで空気をその変圧器グループに直接導くのが一般的であり、こうして空気室の必要性を避ける。このような場合、平方インチあたり3/8オンスの空気圧を与えるブロワーと、100～150キロワット定格の3台の変圧器グループごとに一般的に1馬力容量のモーターが提供される。空気噴射冷却が採用される場合、空気が変圧器コイルとコアに密接に接触する必要があるため、油絶縁を実施できない。水冷却付き油絶縁と空気噴射冷却付き乾式絶縁の両方が、大容量で高電圧の送電システムで広く使用されている。
線路圧力が40,000ボルトのコルゲート発電所では、700キロワット変圧器が油絶縁で水冷却であり、これはカニオン・フェリーとビュート間の50,000ボルト送電の950キロワット変圧器についても同じである。一方、26,500ボルトで実施されたスピア・フォールズ、スケネクタディ、アルバニー間の送電システムには、数百から1,000キロワット各の容量の変圧器が含まれており、すべて空気冷却である。水冷却変圧器または空気噴射冷却のいずれも、空気または水の循環を増加させて過負荷が許容温度を超える加熱を引き起こさない限り、ある程度安全に過負荷できる。
変圧器を通る空気または水の循環は、変圧器を設置された部屋の空気温度以下に冷却する程度に強制されるべきではなく、これにより部品に水の凝縮を引き起こすためである。
場合によっては、正常値から各方向に10パーセント以上の範囲で変圧器電圧の調整手段を提供することが望ましい。この結果は、変圧器巻線の一端の複数のセクションを端子板に接続し、そこで任意に動作から切り離したり入れ替えたりすることで達成される。調整は通常、比較的低い電圧の二次巻線で望まれ、調整セクションは一般的にそのような巻線の一部を形成するが、これらのセクションは一次巻線に配置できる。
変圧器の数を少なくし、各容量をそれ以外より大きくするために、各変圧器の低電圧二次巻線を電気的に接続のない2つ以上の部分に分けることが実用的である。これらの異なる巻線部分は、別々の配電線または他のサービスに接続できる。このような例は、マンチェスター、N.H.送電システムのフックセット変電所に存在する。この変電所では、約11,000ボルトの三相電流が3台の変圧器の一次巻線に入る。これらの変圧器の各々は単一の一次巻線を持つが、2つの異なる二次巻線を持つ。これらの二次巻線の3つ（各変圧器に1つずつ）は一緒に接続され、約380ボルト、三相でロータリーコンバーターに供給する。他の3つの二次巻線は同様に2番目のロータリーコンバーターに接続される。これらの変圧器の各々は250キロワット定格で、各ロータリーは300キロワット定格であるため、変圧器容量は750キロワット、コンバーター容量は600キロワットになり、鉄道サービスのための望ましい変圧器容量の余裕を与える。通常の接続と巻線方法では、この変電所に125キロワット各の変圧器が6台必要だっただろう。
送電線の高電圧は、二次コイルを直列に組み合わせた2台以上の変圧器の組み合わせで得られる。この方法は、1891年に開始されたサン・ベルナルディノとポモナへの10,000ボルト送電のような初期の送電で採用され、各々が500ボルトを与える20台の変圧器が高電圧コイルを直列に使用された。このような配置のいくつかの欠点は、変圧器容量の単位あたり高いコストと低い効率である。
単相システムでは、2台以上が直列に接続されない限り、各変圧器のコイルで最大線路圧力を開発または受ける必要がある。これは独立回路を持つ二相システムのいずれの相についても同じである。三相回路では、2本のワイヤ間の変圧器コイルは明らかにフル線路圧力で動作する。グループの3台の変圧器がメッシュまたはΔ形で線路に接続された場合、同じ結果が得られる。グループの3台の変圧器がスターまたはY形で接続された場合、各変圧器のコイルはグループが接続された三相線路の任意の2本のワイヤ間の電圧の58パーセントにさらされる。二相または三相回路の2本のワイヤ間に2台以上の変圧器を直列に接続する慣行はもはやなく、各位置に単一の変圧器を使用する方が安価で効率的である。
三相システムで非常に高い電圧を開発または受ける必要がある場合、各3台の変圧器グループのスターまたはY接続は、メッシュまたはΔグループよりも各変圧器の絶縁への負担が低い利点を持つ。したがって、Δグループが使用される場合、線路圧力は各変圧器コイルのそれに等しいが、Yグループが使用される場合、線路電圧は各変圧器コイルの1.73倍である。
コルゲート発電所では、700キロワット変圧器はY接続された三相線路で最大圧力60,000ボルト用に設計されており、対応する電圧は二次コイルで34,675である。これらの同じ変圧器の一次コイルはメッシュまたはΔ形で接続され、各コイルは発電機圧力の2,300ボルトで動作する。
変圧器は場合によっては、コイルへの複数の接続セットを提供され、広く異なる圧力で運用できる。したがって、コルゲート発電所では、各変圧器は二次コイルからタップを引き出されており、一次コイルで2,300ボルトで23,175、28,925、または34,675で運用できる。各二次コイルで名指しされた3つの電圧に対応するのは、これらの変圧器の3台をY形で接続した三相線路での40,000、50,000、60,000の電圧である。
メッシュまたはΔ接続は、非常に高い電圧の送電線上の変圧器コイル間で使用される。カニオン・フェリーとビュート間のシステムの950キロワット変圧器はこの慣行を示しており、50,000ボルト線路にΔ形で接続されている。
Δ接続で望まれる線路電圧で運用できる変圧器がY接続を必要とする変圧器のコストよりわずかに高い場合、前者を選択するのがしばしばより良い慣行である。なぜなら、これにより単にY接続に変更するだけで将来いつでも送電電圧を73パーセント増加できるためである。このような電圧増加は、負荷の増加や送電線の延長のために望ましくなるかもしれない。このような例は、数年前にオグデンとソルトレイクシティ間の送電に関連して発生し、変圧器の高圧コイルがΔ形で接続された16,000ボルト、三相で運用されていた。Y接続に変更することで、変圧器絶縁への負担を増加せずに線路電圧を73パーセント上げた。
場合によっては、送電または配電の目的で交流を二相から三相に、またはその逆に変更することが望ましく、これは静止変圧器により容易にできる。この結果を達成するためにしばしば使用される方法の1つは、二相回路の反対の相に接続された2台の変圧器の使用を含む。これらの変圧器の1つの三相コイルは、望まれる三相電圧用に設計され、その中央点からタップを引き出すべきである。他の変圧器の三相コイルは、望まれる三相電圧の87パーセント用に設計されるべきである。三相電圧の87パーセント用に設計されたコイルの一端は、他方の変圧器の三相コイルの中央タップに接続されるべきである。87パーセントコイルの他端は三相回路の1本のワイヤに行く。この回路の他の2本のワイヤは、中央タップを持つコイルの外端にそれぞれ接続されるべきである。例として、発電機からの500ボルト、二相電流を20,000ボルト、三相電流に変換する必要があるかもしれない。この作業には、一次コイルで500ボルト用に設計された2台の変圧器が必要である。これらの変圧器の1つは二次コイルを20,000ボルト用に設計し、変換比は20,000÷500または40対1であり、このコイルの中心からタップを引き出すべきである。他の変圧器は二次電圧を0.87×20,000=17,400とし、変換比は34.8対1である。これらの2台の変圧器は、上記で示された接続で、500ボルト、二相電流を20,000ボルト、三相に変更する。
ハートフォードでの使用にエネルギーを供給する水力発電所の1つでは、300キロワット各の変圧器が4台あり、発電機からの500ボルト、二相電流を10,000ボルト、三相に変更し、送電線用である。
ナイアガラ水力発電所では、発電機が2,200ボルトで二相電流を供給し、975キロワット変圧器がペアで接続され、圧力を22,000ボルト、三相に変更し、バッファローへの送電を行う。
変圧器は場合によっては、電圧を上げ送電線の損失を補償するために使用される。この目的のため、線路圧力を増加させるボルト数を与える変圧器の二次が線路に直列に接続される。この変圧器の一次巻線は、ブーストされた線路または他の源から供給されるかもしれない。
送電作業で一般的に使用される100～1,000キロワット各の容量範囲の変圧器は、一級の構造の場合、フルロードで96～98パーセントの効率を持つ。効率はこの限界内で変圧器容量とともにゆっくり増加し、98パーセントは大型サイズでのみ公正に期待できる。任意の変圧器では、効率はフルロードとハーフロードの間で少し、例えば1～2パーセント低下し、ハーフロードとクォーターロードの間でさらに1パーセント低下すると期待できる。これらの部分負荷での効率の数値は、変圧器の設計と製造により多少異なる。一般的に、昇圧または降圧変圧器は容量1キロワットあたり約7.50ドルのコストで、または低電圧ダイナモの同種コストの約半分である。送電線に十分高い電圧のダイナモが、低電圧ダイナモと昇圧変圧器の組み合わせコスト以下で得られる場合、後者を避け、アーマチュアコイルで線路電圧を開発するのが通常利益になる。この計画は一組の変圧器での損失を避ける。
送電システムにおける変圧器。
+——————————-+———-+———+———+
| | 発電所 | 変電所 | 発電所 |
| | の変圧 | の変圧 | の発電 |
| | 器 | 器 | 機 |
|送電システム。 | +—-+—–+—+—–+—+—–+
| | 数 | Kw. |数 | Kw. |数 | Kw. |
| | | 各 | | 各 | | 各 |
+——————————-+—-+—–+—+—–+—+—–+
|カニオン・フェリーからビュート | 12| 325 |[A]| [A] |…| … |
| | 6 | 950 | 6 | 950 | 10| 750 |
|アップル川からセントポール | …| … | 6 | 300 |…| … |
| | 6 | 500 | 4 | 200 | 4 | 750 |
|ホワイト川からデールズ | 3 | 400 | 3 | 375 | 2 | 500 |
|ファーミントン川からハートフォード | 4 | 300 |…| … | 2 | 600 |
|オグデンからソルトレイク |[B]9| 250 |…| … | 5 | 750 |
|コルゲートからオークランド | …| 700 |…| … | {3|1125 |
| | | | | | {4|2250 |
|プレサンプスコット川からポートランド | …| … | {6| 200 |…| … |
| | | | {3| 150 | 4 | 500 |
| | | | | | {1| 180 |
| | | | | | {3| 300 |
|4つの水力発電所からマンチェスター| …| … | 21| 200 | {1| 450 |
| | | | | | {4| 650 |
| | | | | | {1|1200 |
+——————————-+—-+—–+—+—–+—+—–+
[A] ヘレナ変電所の他の変圧器。
[B] エネルギーの一部は発電機から直接配電。
第XI章。
スイッチ、ヒューズ、および回路ブレーカー。
電気送電は、スイッチングの技術に革命をもたらした。配電線でカバーされる距離が数百ボルトの圧力しか必要としなかった限りでは、発電機とフィーダーのスイッチ接点は、垂直のマーブルスラブの表面に一列に露出され、数インチの距離で互いに分離されるだけで十分だった。これらのスイッチは、重い過負荷時でも手動操作が可能で、オペレーターへの人身傷害の危険や、単一スイッチの部品間または隣接するスイッチ間の破壊的なアークの危険がなかった。これらのマーブルスラブの背面には、1つ以上の裸のバスバーを配置でき、それらの間の偶発的な接触がアークを引き起こし、全体のスイッチボード構造を破壊して発電所を停止させる可能性は低かった。
配電および送電システムでの電気圧力が数千から数万ボルトに上昇したことで、開放型スイッチによる安全で効果的な制御の難易度が大幅に増加した。負荷下で操作される回路の電圧が高いほど、各スイッチの接点部間の距離、および隣接するスイッチ間の距離を大きくする必要がある。このようなスイッチは、回路の電圧が上昇するにつれてオペレーターからより遠くに配置する必要があり、数フィートまたは数ヤードの長さの電気アークに非常に近く立つことは安全ではない。長距離送電が最も一般的である西部では、高電圧で長いブレークスティックスイッチが多用された。これらのスイッチは、回路を開くためのブレークの長さと、スイッチジョーまたはプラグを動かすスティックの長さに依存してオペレーターの安全を確保する。このようなスイッチが使用される場合、各スイッチの接点点間の距離、および複数のスイッチ間の距離を十分に確保することが非常に重要である。10,000ボルト以下の回路では、数ヤードの長さのアークがスイッチブレードの開口部に続き、数秒間持続する場合がある。ロサンゼルスの33,000ボルト送電線では、最近接点で10インチ離れた一対の曲がったワイヤーホーン間でブレークを行う特殊なスイッチが使用されている。これらのホーン間の接触が切断されると、アークは曲がって離れるホーンの部分間を上向きに移動し、最終的に破断する。5,000～10,000ボルト以上の回路で開放型スイッチに必要な非常に大きなスペースのほかに、重い負荷下でこのようなスイッチを開くと発生するアークが接点部を急速に破壊し、中央発電所で好ましくない大量の金属蒸気を生成するというさらなる欠点がある。カラマズーで行われた開放型スイッチの実験（A. I. E. E., vol. xviii., p. 407）では、電圧は25,000～40,000の範囲だった。スイッチで切断された回路の負荷は高度に誘導性で、1,200～1,300キロボルトアンペアだった。25,000ボルトでは、開放型スイッチによって生成されたアークが数秒間持続した。40,000ボルトでは、このスイッチの開口部に続くアークが30フィートを超え、屋外でポールラインの近くにあり、アークがラインワイヤに当たりシステムを短絡させた。重い負荷下の回路を開放型スイッチで開くと発生する電圧の振動が絶縁に非常に危険であることが示された（A. I. E. E., vol. xviii., p. 383）。カラマズーのテストでは、このような振動が開放型スイッチを使用した場合にシステムの通常電圧の2～3倍に達したと報告された。
[イラスト: FIG. 55.–ナイアガラの滝の発電所1と2間の接続。]
上で概説した性質の事実が、オイルスイッチの開発につながった。オイルスイッチの一般的な特徴は、接点部が油に浸され、これらの接点間のブレークが油の下で行われることである。オイルスイッチの2つのタイプがあり、1つはすべての接点部が同じ油浴槽にあり、もう1つは各接点に別々の油浴槽がある。開放型と比較して、オイルスイッチはスペースを大幅に節約し、露出したアークや金属蒸気を発生せず、交流回路で振動や電圧の上昇を引き起こさず、現在使用されている任意の電圧と容量の回路を開くことができる。上記のカラマズーのテストでは、各相で2つのブレークを行う三相オイルスイッチで、すべての6つの接点が単一の油浴槽にあり、25,000ボルトと1,200～1,300キロボルトアークの回路を満足のいく結果で開いた。しかし、40,000ボルトでは、このタイプのスイッチが火を吐き煙を排出して、限界容量近くで動作していることを示した。各6つの接点が別々の円筒形油チャンバーにある三相スイッチが、カラマズーで40,000ボルト1,300キロボルトアーク回路を短絡条件下でも完全に成功裏に開き、スイッチに火や煙が現れなかった。カラマズーのテストで使用された三相スイッチで、各接点が別々の油チャンバーにあるものは、ニューヨーク市のメトロポリタンおよびマンハッタン鉄道発電所で使用されたスイッチと構造が類似していた。これらのスイッチの各々では、各相の2つのリードが2つの直立した真鍮シリンダーで終わる。これらのシリンダーは、スイッチが開かれたときにアークの横跳びを防ぐためのファイバーライニングを持ち、各シリンダーは油で満たされる。各相の2つの真鍮シリンダーには、絶縁ブッシングを通した∩形の接点片が浸され、この接点片の端は油ポットの底の端子に適合する。木製ロッドが∩形接点片の中心または上部を結合し、三相スイッチの3つのロッドはスイッチコンパートメントを通って外側の操作機構に上る。6つの真鍮シリンダーと3つの∩形接点片は、通常、レンガ工事と石スラブで完全に構築されたスイッチセルに取り付けられる。三相スイッチの場合、レンガと石のセルは3つの完全に別々のコンパートメントを持ち、各コンパートメントには単一相の端子を形成する2つの真鍮シリンダーが含まれる。セルの上部と外側には、木製スイッチロッドを動かす機構が取り付けられる。電圧が6,000のメトロポリタン発電所では、∩形接点片とそのロッドの垂直移動は12インチである。運用電圧が12,000のマンハッタン発電所では、スイッチを開くときの∩形接点の垂直移動は17インチである。メトロポリタン発電所のスイッチでの各相の総ブレークはこうして24インチ、つまり1,000ボルトあたり4インチであり、マンハッタン発電所のスイッチでの相あたりの総ブレークは34インチ、つまり総圧力の1,000ボルトあたり2.66インチである。
オイルスイッチは現在、2,000ボルト以上で一般配電の目的で動作する交流回路で非常に一般的に使用されている。このような中程度の電圧の回路では、さらにより高い電圧でも、三相スイッチの場合に6つの接点全体が単一の油貯蔵庫に浸されるオイルスイッチを使用するのが一般的である。このようなスイッチは通常、手で直接操作され、スイッチ機構を駆動するハンドルが位置するスレートまたはマーブルボードの背面または近くに位置する。このような作業の良い例は、マンチェスター、N.H.の変電所で見られ、4つの水力発電所からのエネルギーが7つの送電線で供給され、2,000ボルト三相のより多くの地元回路で配電される。マンチェスターの変電所にエネルギーを供給する水力発電所の1つであるガービンズ・フォールズ発電所では、発電機は12,000ボルト三相で動作し、これらの発電機はマーブルスイッチボードの背面の手動操作オイルスイッチを通じてバスバーに直接接続される。これらの最後に挙げたスイッチは、マンチェスター変電所のものと同じように、各々のすべての接点を単一の油貯蔵庫に持つ。
非常に高い電圧で数百キロワットしか関係しない場合、および2,000ボルトの低い圧力で数千キロワットに達する電力の場合でも、オイルスイッチをスイッチボードとバスバーの近くから除去することが非常に望ましい。大きな電力および非常に高い電圧は、スイッチを操作しながら近くに立つ必要があるアテンダントへの人身危険の要素を増加させるだけでなく、スイッチの故障や短絡から生じる他の装置への損傷をはるかに深刻にする。
[イラスト: FIG. 56.–ノースカロライナ、フレンチブロード川の発電所のスイッチボード背面のワイヤールーム。]
スイッチが操作ボードから距離を置かれるとすぐに、電力制御の方法が必要になることが明らかになる。なぜなら、スイッチボードのオペレーターは装置の任意の部分の接続を迅速に作ったり切ったりできるべきだからである。非常に大きな電力のためのスイッチを操作ボードから距離を置く必要性と、接続を作ったり切ったりするための機械的電力の適用は、オイルスイッチの開発前に満たされた。したがって、1893年の最初のナイアガラ発電所（A. I. E. E., vol. xviii., p. 489）では、3,750キロワット、2,200ボルト発電機のスイッチは、開放型であるが、発電機室に構築された特殊スイッチコンパートメントに位置し、操作ボードからある距離のケーブルサブウェイの上にあった。これらのスイッチは、スイッチボード近くのレバーの移動により空気が入れられる圧縮空気シリンダーを通じて作動した。明らかに、この容量のスイッチ–極あたり1,000アンペアと2,200ボルト、二相–は、必要な大きな努力のため、どこに位置しても手力で操作することはできない。ナイアガラの滝の第2発電所では、ニューヨークのマンハッタン高架鉄道発電所で使用されたものと類似したオイルスイッチが使用されたが、二相だった。これらのナイアガラの滝のオイルスイッチの各々は、以前の開放型スイッチと同じように5,000馬力の容量を持ち、電気的に作動する。
[イラスト: FIG. 57.–ナイアガラ発電所No. 2のオイルスイッチ下のケーブルサブウェイの断面。]
これらの電気的に操作されるオイルスイッチでは、小型モーターが接点部を含むレンガセルの上に位置し、このモーターはスイッチを開閉するスプリングを解放し圧縮する。数千または数百キロワットで2,000ボルト以上の回路を開くために開放型スイッチを使用するのは望ましくないが、それでも可能である。これは、最初のナイアガラの滝発電所の経験で示されており、2,200ボルト二相スイッチが相あたり600アンペア以上の電流を繰り返し開き、傷害的なスパークなしだったと報告されている。カラマズーの実験で示された単純な開放型スイッチの開口部に続く電圧の大上昇は、最初のナイアガラスイッチで簡単な工夫により避けられた。これらの5,000馬力開放型スイッチでは、高抵抗のシャントが各対の接点間に接続され、電流の本体を運ぶブレードとジョーが回路を完全に開かないようにした。これらのスイッチのメインジョーが開かれると、シャント抵抗は補助端子で後に破断されるまで回路に残る。これらのスイッチの1つが開かれたときに過度の電圧上昇が発生しなかったことは、スイッチに並列に2つの鋭い端子を接続し、これらの端子を一定の距離に調整することで示された。スイッチを開いたときに電圧が所定の量を超えて上昇した場合、尖った端子間の距離をジャンプするスパークによりアークが形成されたはずである。
[イラスト: FIG. 58.–スピア・フォールズラインのスケネクタディスイッチハウス。]
[イラスト: FIG. 59.–スピア・フォールズラインのサラトガスイッチハウスの2階平面図。]
高い電圧、例えば5,000以上での安全で信頼性のある運用は、装置の各要素が他のすべての要素から隔離され絶縁されることを要求し、1つの要素の故障または破壊が他のものを深刻に危険にさらさないようにする。この目的で、各発電機からそのスイッチへのケーブルは、他のケーブルを含まないレンガまたはコンクリートのコンジットに敷設されるべきである。各スイッチの各相のレンガまたは石コンパートメントは、その相の接点が破壊的にアークしても他の相の接点に損傷を与えないほど頑丈であるべきである。バスバーは、スイッチのように、操作スイッチボードから除去されるべきである。なぜなら、それらの間のアークがその上の他の装置を破壊し、ボード自体さえも破壊するかもしれないからである。非常に高い電圧を制御する場合、バスバーをスイッチボードから除去するだけでは十分ではなく、各バーを別々のレンガコンパートメントに位置させるべきで、2つ以上のバー間の偶発的な接触によりアークが開始されないようにする。バスバーのレンガと石コンパートメントを水平に1つずつ上に構築するのが便利である。各コンパートメントの上面と下面は、石スラブで便利に形成され、片側にレンガのピアがあり、もう片側に連続したレンガ壁で石スラブを位置に保持する。バスバーへの接続は、コンパートメントの背面と呼べる連続したレンガ壁を通るべきである。コンパートメントの前面のレンガピア間の開口部を閉じるために、可動の石スラブを使用できる。バスバーから離れるフィーダーは、これらのバーに走るダイナモケーブルと同じように、単一のコンパートメントに密にグループ化されるべきではなく、各ケーブルまたは回路は発電所から出るポイントまで別々の耐火コンジットに敷設されるべきである。
[イラスト: FIG. 60.–サラトガスイッチハウスのグラウンドフロア。]
大きな電力が伝送される多数のフィーダーを単一の可燃コンパートメントにグループ化する愚かさは、1903年1月29日に最初のナイアガラ発電所を変圧器ハウスに接続するケーブルを破壊した事故でよく示された。その日の夕方、雷がNo. 1発電所を変圧器ハウスに接続する短いブリッジのケーブルの1つを短絡し、このブリッジのすべてのケーブルが、地元消費者だけでなくバッファローの鉄道と照明を供給するものが破壊された。このブリッジにはおそらく36本以上のケーブルが含まれていた。なぜなら、事故後24時間以内にその数の新しいケーブルが設置されたからであり、これらのケーブルは可燃絶縁で覆われ、密接に近接していた。結果はケーブルの損失だけでなく、電力利用者への損害だった。これらのケーブルが別々の耐火コンジットに位置していた場合、雷に直接影響を受けた1つだけが破壊された可能性が高い。
バスバーのレンガと石コンパートメントは、ニューハンプシャー・トラクション会社のポーツマス発電所のように、スイッチボードの下の地下室に位置できるか、発電所の他の装置から十分に離れた他の場所に位置できる。ナイアガラの滝の発電所No. 2では、フロアレベル下のケーブルサブウェイが発電機の列と平行に全長を走る（A. I. E. E., vol. xix., p. 537）。このサブウェイは幅13フィート9と3/4インチ、高さ10フィート6インチで、バスバーコンパートメントの2つの構造が位置する。これらの構造の各々は高さ約6.6フィート、幅1.8フィートで、4つのバスバーコンパートメントを含む。各コンパートメントには単一のバーがあり、4つのバーは二相作業のための2セットを形成する。バスバーコンパートメントの上とフロアレベルから上昇するのはオイルスイッチである。ケーブルサブウェイの長さの中間と2つのオイルスイッチグループ間のスペースは、スイッチボードギャラリーが占め、フロアの上にいくらか上昇し、11の発電機、22のフィーダー、2つの相互接続、および1つの励磁パネルを運ぶ。発電所No. 1では、バスバーはすでに言及した5,000馬力開放型スイッチの上部の共通スペースに位置し、各バーは加硫ゴム絶縁を持ち、ブレイドで覆われ、その外側にツワインのラッピングがある。もちろん、このような絶縁は、偶然アークがバー間で開始された場合、何の意味も持たない。各バスバーが独自の耐火コンパートメントを持つ場合、ナイアガラ発電所No. 2のように、各バーに直接絶縁を適用するのは必要でも望ましくもない。したがって、各バーが独自の耐火コンパートメントを持つ一般的な慣行では、バー裸の銅ロッドで構築する。
発電機とフィーダーのメインスイッチが操作ボードから除去され、電動モーターまたはマグネットにより作動する場合、オペレーターが直接関わるボードの小型スイッチはもちろん、これらのマグネットまたはモーターを制御する。操作ボードの小型スイッチはリレースイッチと呼ばれ、これらのスイッチで開閉される回路の電流は、蓄電池または励磁ダイナモの1つから便利に得られる。
おそらくリレースイッチの最良の配置は、スイッチボードの面のダミーバスバーとの接続で、ボードの面の接続が常に発電機とフィーダー回路の実際の接続の図を構成するようにする。また、メイン装置の接続を迅速で正しく変更するためには、任意の発電機または任意のフィーダーの制御に必要なすべてのリレースイッチと計器をスイッチボードの単一パネルに集めることが望ましい。この計画が従われる場合、オペレーターはいつでも単一のパネルにその時点で作られる接続に関わるすべてのスイッチと計器を前に持ち、間違いの可能性を最小限に減らす。この計画はナイアガラ発電所No. 2で採用され、各11の発電機と22のフィーダーに別々のパネルが提供される。各11の発電機パネルのそれぞれには2つのセレクターリレースイッチ、1つの発電機リレースイッチ、および1つのリレー発電機フィールドスイッチがある。各22のフィーダーパネルのそれぞれには2つのリレーセレクタースイッチがある。2つの相互接続パネルのリレースイッチは、発電所No. 2のそれぞれ5と6の発電機グループと発電所No. 1の10の発電機間の接続を作る。各パネルには、主電流を運ぶオイルスイッチがそのリレースイッチの移動に応答するかどうかを示すリレーインジケーターがある。
発電機がシステムの最大電圧で動作する場合、ガービンズ・フォールズやマンハッタン高架鉄道の発電所のように、接続の一般的な計画は1つだけと言える。つまり、発電機はシステムの電圧でメインのバスバーに直接接続し、フィーダーまたは送電線もこれらの同じバーに接続する。もちろん、異なる回路や作業クラス用のいくつかのバスバーセットがあるかもしれないが、これは発電機からラインへのスルー接続の一般的な計画を変えない。同様に、スイッチの配置は、各ダイナモまたはフィーダーケーブルに2つのスイッチを直列に配置したり、特定のバスバーセットに複数のスイッチを通じてフィーダーグループを接続し、次に単一スイッチを通じて発電機バスバーからこのバーセットを供給するなどの変動を受ける。
[イラスト: FIG. 61.–スピア・フォールズラインのグレンズフォールズ変電所のスイッチボード配線。]
送電の電圧が昇圧変圧器の使用で得られる場合、これらの変圧器の接続は、スイッチングのほとんどを高圧または低圧回路のいずれかで行う必要があるかもしれない。以前の一般的な慣行は、運用中でない場合の高圧バスバーとの変圧器と送電線の接続と切断を除いて、発電機回路と変圧器の低圧側ですべてのスイッチングを行うことだった。発電機がシステムの最大電圧で動作する場合、発電機をバスバーに接続する1つのスイッチグループと、バスバーを送電線に接続するもう1つのグループの2つのメインスイッチグループのみが必要である。昇圧変圧器が導入されると、通常の接続方法が従われる場合、スイッチグループの数は4に増加し、高電圧と低電圧のバスバーセットの両方がなければならない。つまり、1つのスイッチセットは発電機を低圧バスバーに接続し、もう1つのグループは低圧バーを変圧器の一次コイルに接続し、3番目のグループは変圧器の二次コイルを高圧バーに結合し、4番目のスイッチグループは送電線を高圧バスバーに結合する。昇圧変圧器の二次コイルを高圧バスバーに接続するスイッチ、およびこれらの同じバーへの送電線は、しばしば短いナイフブレード構造の単純な開放型だった。これらのスイッチは、電流が流れていないときに変圧器の二次コイルと送電線を高圧バスバーから切断するために使用され、短いブレークの単純なナイフブレード構造のスイッチはもちろん他の目的では使用できない。このようなスイッチが高圧側の装置にある場合、ライン回路のすべてのスイッチングを低圧側で行う慣行である。
各発電機とその変圧器をスイッチング目的でユニットとして扱い、このユニットのスイッチングを昇圧変圧器の二次または高電圧側で行うことで、このスイッチの倍増の一部を避けることが可能である。この計画の採用はもちろん、システムの最大電圧と過負荷条件下で任意の変圧器グループの二次回路をブレークする能力のあるスイッチの使用を意味するが、現在作られているオイルスイッチはこの要件を満たす能力がある。ライブ回路のすべてのスイッチングが高電圧のものに限定される場合、非常に大きな電流を運ぶ重い接点部を操作スイッチで避けるという付随的な利点もある。各発電機が独自の変圧器グループに直接接続される場合、これらの変圧器の二次コイルはオイルスイッチを通じて高圧バスバーに通り、低圧バスバーの使用を避けることができる。これらの高圧バスバーから送電線はオイルスイッチを通るため、この計画ではオイルスイッチのセットは2つだけ、つまり変圧器の二次コイルを高圧バスバーに接続するものと、送電線を同じバーに接続するものである。各発電機に2つまたは3つの変圧器が使用される場合、2つまたは3つの変圧器の各グループは、運用中でない変圧器の切断と変更の便宜のために短ブレーク、開放型ナイフスイッチを通じてその発電機に接続されるべきであるが、これらのスイッチは運用中の発電機と一次コイルの回路を開くことを意図または要求されない。
[イラスト: FIG. 62.–モントリオール中央変電所の配電スイッチボード。]
上で概説した計画に類似したものは、サンフランシスコのインディペンデント・エレクトリック・ライト・アンド・パワー会社の発電所で採用され、各550ボルト発電機は通常、二相から三相に電流を変更する2つの変圧器の一次コイルに直接接続され、次にオイルスイッチを通じて11,000ボルトの高圧バスバーに供給される。これらのバスバーには、5つの変電所用の11,000ボルトフィーダーがスイッチを通じて接続される。この発電所には、任意の発電機が接続できる550ボルトバスバーセットがあるが、通常運用ではどの発電機も接続されない。発電機だけがこれらのバーに接続するスイッチを持つ。任意の特定の発電機を独自のもの以外の変圧器ペアで運用することが望ましい場合、その発電機は独自の変圧器から切断され、550ボルトバスバーに接続される。前に言及した発電機により運用される変圧器を持つ発電機は、次にそのスイッチを550ボルトバスバーに接続され、前者の発電機の接触リングのブラシが上げられる。各発電機からその2つのスイッチへのリードが永久に結合されているため、上記のスイッチング操作は、550ボルトバーにスイッチを閉じた他の発電機で1つの発電機の変圧器を接続する。
単一の予備変圧器を定期使用中の多数の変圧器のいずれかに容易に置き換えたい場合、これらの後者の変圧器の各々への接続は、一次側と二次側の両方でダブルポールダブルスローナイフスイッチで提供され、これらのスイッチが定期使用中の任意の変圧器で一方に投げられると予備変圧器がその代わりに接続される。
ヒューズと自動回路ブレーカーはどちらも、特定の所定の条件下で人間の介入なしに接続をブレークすることを意図している。ヒューズでは、特定の電流により生成される熱が特殊導体の短い長さを溶融または蒸発させるのに十分である。回路ブレーカーでは、特定の電流がマグネットまたはモーターにスプリングの圧力を克服するのに十分な強さを与え、電流が通る接点片が引き離される。したがって、ヒューズと回路ブレーカーの主な目的は、特定の電流を超えると接続を開き、エネルギーの流れを止めることである。エネルギーの流れの方向が通常の逆になると、回路ブレーカーは接続をブレークするように配置できるが、ヒューズはできない。ヒューズは、設計された溶融電流を数秒間運ぶ必要があり、特定のケースの正確な秒数は、追加の熱を発生するヒューズチップの緩い接続の可能性と、その接続端子の熱伝導力により少し不確かになる。回路ブレーカーは、特定の電流が流れ始めた後1秒以上で接続を開くように設定できる。ヒューズで接続がブレークされると、溶融または蒸発した金属がアークが容易に従う経路を形成する。オイル下の接点を持つ回路ブレーカーは、アークの維持のためのヒューズよりはるかに小さな機会を提供する。これらのヒューズと回路ブレーカーの品質が、送電回路での一般的な利用可能性と比較優位性の基盤を形成する。
送電回路でのヒューズと回路ブレーカーの使用には多くの変動がある。しばしば従われる1つの見解は、ヒューズと回路ブレーカーを発電機と送電線から完全に省略するべきである。この慣行の賛成の議論は、鳥がラインに飛んで当たるか、棒や緩いワイヤが投げ込まれることによる一時的な短絡が、即座に動作するヒューズまたは回路ブレーカーを使用すると送電サービスのすべてまたは大部分を中断させるというものである。一方、発電機と送電回路からヒューズと回路ブレーカーを省略すると、持続的な短絡が除去されるまで一部の場合で全体の発電所をシャットダウンする必要があると言える。高電圧での電気送電は、そのような電圧で過負荷回路を開く能力のある磁気回路ブレーカーが開発される前に重要になった。したがって、初期の質問は、送電線とそれを供給する発電機にヒューズを提供するか、発電機から変電所の配電回路まで固く接続するかどうかだった。低電圧での慣行に合致してヒューズを使用する強い傾向があった。送電システムからの連続サービスの大きな重要性と、ヒューズが使用された一時的な短絡による多くの中断が、一部のケースでそれらの放棄につながった。このような例は、最初のナイアガラ発電所で見られる。1893年にこの発電所が装備されたとき、数千馬力の電流を運ぶ11,000または2,200ボルトの回路用の磁気回路ブレーカーは利用できず、ヒューズがこれらの圧力の両方のラインで使用された（A. I. E. E., vol. xviii., pp. 495, 497）。この場合に採用されたヒューズは、2,200と11,000ボルトのラインの両方で同じで、爆発型だった。各完全なヒューズは、1端でヒンジされ、閉じられたときに他端で固定された2つのリグナムバイテブロックで構成された。これらのブロックには3つの並行したヒューズ用の溝が切られ、各溝にアルミニウムのストリップが敷かれ、各端の適切な端子に接続された。アルミニウムストリップが置かれた溝のためのベントが提供され、ヒューズが吹き飛んだときの膨張ガスが逃げる。これらのヒューズブロックが新しく、リグナムバイテのブロックがタイトなジョイントを作ったとき、ヒューズが吹き飛んだときに生成された金属蒸気がベントから強制的に排出され、ラインの接続がこうしてブレークされた。しかし、時間とともに、収縮のためブロック間のジョイントがタイトでなくなると、ヒューズの膨張ガスが端子に達し、ヒューズが吹き飛んだ後もアークが続く。これらのアルミニウムヒューズは、1893年頃に採用され、1898年にナイアガラ発電所で放棄された。この後者の日付以降、No. 1発電所から地元消費者への2,200ボルトフィーダーは発電所にヒューズがなく、除去されたヒューズの代わりに回路ブレーカーが設置されていない。これらの地元ナイアガラフィーダーを通じて供給される大型製造工場では、フィーダーは以前ヒューズで終端されていたが、これらは後に回路ブレーカーに置き換えられた。1902年に完成した第2ナイアガラ発電所では、地元2,200ボルトフィーダーに回路ブレーカーが提供されるが、ヒューズはない。最初のナイアガラ発電所のジェネレーターとバスバーの間では、回路にヒューズも自動回路ブレーカーも提供されず、この慣行は現在まで続く。
最初のナイアガラ発電所の11,000ボルト送電線でのアルミニウムヒューズのほかに、これらのラインを供給する昇圧変圧器の2,200ボルト一次回路に鉛ヒューズがあった。これらのラインの他端のバッファロー変電所では、降圧変圧器との接続前に別のアルミニウムヒューズセットが挿入された。これらの変圧器の二次コイルと550ボルトコンバーターの間にはヒューズがなく、これらのコンバーターは直流回路ブレーカーを通じて鉄道バスバーに接続された。これらの鉛ヒューズは、アルミニウムのものよりはるかに多くの金属を含み、吹き飛んだときにスイッチを開いて電力が切断されるまで持続するアークを設定し、通常端子を破壊した。この送電システムでのヒューズのサイズを調整する努力がなされ、バッファローでの配電線での短絡の場合に変電所のヒューズだけが吹き飛び、ナイアガラのものをそのままにしておくようにした。この計画は効果的でなく、バッファローでの配電線での深刻な過負荷はナイアガラ発電所のジェネレーターバスバーまでヒューズを吹き飛ばす。
過負荷回路を開く確実性を達成し、過負荷が一時的なものかもしれない場合にその開口を遅らせ、過負荷が存在するラインにオープン回路を限定するために、自動回路ブレーカーがナイアガラとバッファローの送電システムで挙げたヒューズに置き換えられた。このシステムはまた、送電線で11,000から22,000ボルトに変更され、回路開口装置の要件がより厳しくなった。これらの回路ブレーカーは時間制限アタッチメントが取り付けられ、任意のブレーカーが電流が特定の量に達した後の任意の秒数で開くように設定できる。時間制限アタッチメント付きの回路ブレーカーは、電流が特定の数値に達した後設定された時間まで開かず、電流がどれだけ大きくてもそうである。さらに、過負荷が時間制限回路ブレーカーが設定された秒数前にラインから除去されると、回路ブレーカーは自動的にリセットされ、接続を開かない。回路ブレーカーが電流制限に達した時点から3秒後にラインを開くように設定されている場合、ヒューズを吹き飛ばすような一時的な過負荷でラインは開かれない。送電線での回路ブレーカーの時間制限リレーを過負荷がオンになってから3秒後に開口機構を作動するように設定し、次に配電線でのブレーカーを時間制限なしで動作させることで、配電線でのブレーカーの開口が送電線でのブレーカーが動作する前にシステムを過負荷から解放するようである。この結果は、送電システムの全体サービスがその配電線の1つに故障や短絡があるたびに中断されないように非常に望ましい。この計画はナイアガラとバッファローのシステムで採用された。ナイアガラ発電所の22,000ボルト線では時間リレーが3秒後にブレーカーを作動するように設定され、バッファローでのターミナルハウスでは、変圧器が22,000から11,000に降圧し、変電所への11,000ボルト線での回路ブレーカーはリレーが1秒で開くように設定された。最後に、いくつかの変電所からの配電線での回路ブレーカーは時間制限なしで動作するようにされた。これらの手段により、変電所からの配電回路の1つでの短絡が変電所の回路ブレーカーの即時動作のため、その変電所とターミナルハウス間の地下ケーブルの接続をブレークしないことが期待された。さらに、ターミナルハウスと変電所間の地下ケーブルの1つでの短絡がそのハウスで送電線から切断され、ナイアガラ発電所の回路ブレーカーを動作させないことが期待された。上記の時間リレー付き回路ブレーカーの配置は、ブレーカーが回路を十分に速くクリアせず、22,000と11,000ボルト線での時間制限アタッチメントがもはや使用されていないため、目的を果たさなかったと報告されている（A. I. E. E., vol. xviii., p. 500）。検討中の回路が11,000と22,000ボルトで数千馬力を運ぶため、回路ブレーカー付き時間制限装置はより緩やかな条件下で良い結果を与えるかもしれない。時間制限リレーは送電システムの信頼性のある運用に向けた重要な助けかもしれないが、過負荷がどれだけ大きくても設定された時間が経過するまで回路を開かないという欠点がある。短絡の場合、時間制限リレーはシステム全体での持続的な電圧低下を引き起こし、照明サービスに非常に望ましくなく、すべての同期装置がステップから落ちることを許す。一時的な電圧低下の場合、同期装置の回転部分の慣性はそれらをステップに保つ。これらの理由で、短絡または非常に大きな過負荷があるラインを即座に開く回路ブレーカーを有し、過負荷が極端でない場合に1秒以上の間隔後にのみラインを開くことが望ましい。第2ナイアガラ発電所での回路ブレーカーのこの動作は、各回路ブレーカーのトリッピングプランジャーにダッシュポットを付けることで得られた（A. I. E. E., vol. xviii., p. 543）。中程度の非常に一時的な過負荷では、このダッシュポットがトリッピングプランジャーの動作を遅らせるため、回路ブレーカーは開かない。短絡または大きな過負荷がラインに来ると、そのラインの回路ブレーカーのトリッピングプランジャーへの引きが非常に大きく、ダッシュポットの移動抵抗が即座に克服され、ラインがシステムの残りから切断される。
回路ブレーカーが接続するラインを開くように設計され、エネルギーの流れの方向が逆になるときにいつでも開くという事実が、一部の変電所で発電所に向かって変電所からのエネルギーの流れを防ぐために利用される。この手段により、変電所から発電所に接続するラインまたはケーブルの1つでの短絡へのエネルギーの流れが防がれる。
第XII章。
送電電力の調整。
電球での電圧調整は、電気的に送電されたエネルギーの配電における深刻な問題である。良好な調整では、110～120ボルト定格の電球での圧力を正常値から1ボルト以上上下に変動させてはならない。
電動モーターサービスは電圧の定常性に関してそれほど厳しくなく、モーター端子での圧力を時々10パーセント変動させても利用者の大きな反対はない。これらの3種類の装置への混合サービスは、送電エネルギーが使用される場合にしばしば提供されなければならず、電球での変動の制限が圧力調整を制御するものである。
送電システムは、変電所がなくしたがってすべての調整を発電所で行わなければならないものと、1つ以上の変電所があり電圧調整を送電線の両端で行えるものに大まかに分けられる。
[イラスト: FIG. 64.–モントリオール中央変電所の弧灯照明スイッチボード。]
一般的に、送電線と配電線の間にオペレーターが常駐する変電所があることが非常に望ましく、これは重要な電気供給の中心部で一般的に採用される計画であり、送電が短い場合でもそうである。このような例の1つは、マサチューセッツ州スプリングフィールドで見られ、チコピー川の2つの水力発電所からエネルギーが市内のビジネスセンターの変電所までそれぞれ約4.5マイルと6マイル送電される。この場合の二相電流の送電電圧は6,000で、変電所で一般的な光と電力の配電のために約2,400ボルトに下げられる。類似の例は、ニューハンプシャー州コンコードで見られ、メリマック川のセウォールズ・フォールズの水力発電所からビジネスセクションの変電所まで4.5マイル離れた場所に2,500ボルトと10,000ボルトの電気エネルギーが供給される。この変電所から電流は電球とモーターの供給のために約2,500ボルトで配電される。コンコードでは、送電電圧が配電のそれ以上に上げられる前に調整の目的で変電所が望ましいとされた。その後、負荷が増加したとき、導体のサイズを増加させないために送電回路の一部で10,000ボルトの電圧が採用された。
しかし、一部の事例では、電圧調整が行える変電所を介さずに送電線と配電線が結合されるが、この慣行は設置の初期コストとその後の運用コストの節約以外に推奨される点がほとんどない。これらの節約は、電球でかなり定常的な圧力を維持する場合、表面的なものであり、良好な調整を維持する場合のラインへの追加支出で少なくとも部分的に相殺される。この事実は、図66、67、68を参照して説明できる。それぞれの図でDは発電所を表し、A、B、Cは発電所からのエネルギーが配電される町や都市である。各図の場合、発電所と各都市または町間の距離が、フルロード時に電圧で2パーセント以下の損失を持つ配電線を発電所と各都市または町間に提供できないほどコストがかかる導体のためであると仮定される。このように、配電の中心部が各町に1つ以上位置しなければならず、送電線はポール上または変電所でこれらの中心部で配電線に結合しなければならない。いくつかの町が発電所から同じ一般方向にあり、同じ送電線で到達できる場合、図66のA、B、Cのように、各町に変電所があればこの1本のラインで十分である。変電所が使用されない場合、後述する理由で発電所と各町間に別々の送電回路を提供しなければならない。変化する負荷下での送電線の電圧変動のパーセンテージはしばしば5～10であり、電球での許容変動をはるかに超えている。良好な照明サービスを与えるために、送電線が配電回路に結合する配電の中心部は、そこに変電所がなければ非常にほぼ定常的な電圧で維持されなければならない。発電所での調整は、変化する負荷下でのラインでの圧力損失を補償し、それ上の任意の1点でほぼ定常的な電圧を維持するようにする。しかし、発電所での調整計画は、各点に変化する負荷がある場合、同じ送電線上の複数の点で定常的な電圧を維持できない。結果として、供給されるいくつかの町が図67のように発電所から同じ一般方向にある場合でも、各町に変電所が提供されない場合、各町に別々の送電線を持つべきである。図68で示される場合のように、供給される町が発電所から非常に異なる方向にある場合、そこに変電所があるか配電の中心部だけがあるかに関わらず、各々に別々の送電線があるべきである。
図68の場合でも、他の場合と同じように、変電所をこれらのラインが送電回路に結合する点に使用することで、電球端子での圧力変動を標準からいずれの方向にも1ボルト以内に保つ場合、配電線のコストで大きな節約が達成される。負荷の変動により、配電線での圧力損失はゼロから最大量の範囲になり、接続された電球はこの総損失で表される電圧変化にさらされるが、配電線が変電所から開始されそこで配電線での損失を調整で補償できる場合を除く。良好なサービスを与えるために、送電線に結合する変電所がない場合、配電線はフルロード時に1パーセントの損失に制限されるべきである。変電所での調整の機会があれば、配電線での最大損失を容易に倍にでき、変電所がない場合に必要な重量の半分に減らす。
送電線と配電線を変電所で接続するもう一つの利点は、混合で変化する負荷を運ぶ送電線の端から数マイル離れた発電所で絶対的に定常的な圧力を維持するのが実質的に不可能であるという事実にある。結果として、変電所での調整の介入なしでは、長距離送電線で良好な照明サービスを与えるのはほとんど不可能である。さらに、変電所がない場合、発電所での調整の労力がはるかに増加する。なぜなら、より頻繁で正確でなければならないからである。送電システムからの変電所の不在は、したがって、より多くの送電回路、より重い配電回路、発電所でのより多くの労力、および照明サービスの低い品質を意味する。
送電システムでの負荷の大部分を定置モーターが形成し、良好な照明サービスが小さな重要性である場合、一部の配電中心部で変電所を省略するのが良いかもしれない。これは、送電線沿いの主な電力消費者が鉱山や鉱石精錬工場であるロッキー山脈地域で時々存在する条件である。このような例は、ユタ州のテリュライド・パワー・トランスミッション会社のシステムに存在し、プロボ川のプロボキャニオンからユタ湖を完全に回ってマーサー、ユーレカ、プロボを通り、プロボキャニオンの発電所に戻る105マイルの連続回路である。
このラインの送電電圧は40,000で、配電点がある間隔で電圧はポール上の変圧器により約5,000に下げられ、一部のケースで変電所での調整の助けなしである。このように送電された電力は主に鉱山と製錬所でのモーター運用に使用されるが、一部の商業照明にも使用される。
送電線上の電圧の発電所での調整は、配電中心部に変電所があるかないかに関わらず同じ方法で達成できる。このような調整では、目的は送電線上の特定の点、通常配電回路が接続されるその端で特定の電圧を維持することである。配電の点が同じ送電線上に複数存在する場合、発電所での調整はこれらの点の1つだけで望まれる圧力を維持するように設計され、他の点での調整は地元手段で達成される。調整の1つの方法は、各発電機の過複巻きで、その端子での電圧が負荷が増加するにつれて特定のレートで上昇するようにする。発電機と送電線が、その発電機だけが出力する場合にラインでの圧力損失にちょうど対応する発電機端子での電圧上昇のように設計されている場合、他の場所からエネルギーがラインから引き出されない場合、すべての負荷でその点での圧力をほぼ定常的に保てる。発電機の複巻きによる調整を効果的にするために必要なこれらのいくつかの条件は、実践でほとんど満たされない。変化する数の発電機が同じ送電線で動作する必要がある場合、または変化する負荷がライン沿いの異なる点で供給される必要がある場合、発電機の複巻きは電力ステーションから離れたライン上の任意の点で定常的な電圧を維持するのに十分ではない。これらの理由で、発電機の複巻きは送電線上の電圧調整に関して小さな重要性であり、大型交流発電機では一般的に試みられない。例はナイアガラの滝の3,750キロワット発電機で、単一のマグネット巻線が励磁機からの電流のみを受ける。
送電システムの発電所での電圧調整のはるかに効果的で一般的に採用された方法は、各発電機のマグネットコイルでの電流を変化させて望まれるようにその電圧を上げ下げするアテンダントの動作に基づく。調整は送電線上の特定の1点のためでなければならず、発電所のアテンダントはその点での電圧を、その点から発電所のボルトメーターに戻る圧力ワイヤーのペアにより、ライン上の電流に応じてその点での電圧を示すメーターにより、または定常的な電圧が維持される点の変電所との電話接続により知るかもしれない。圧力ワイヤーは発電所でライン上の配電点での電圧を示す信頼できる手段であるが、長距離送電でのこれらのワイヤーの設置はかなりの費用であり、そのような場合に時々使用されるだけである。誘導効果と可変力率のため、交流を運ぶラインで示されるアンペアは発電所と遠い点間の電圧低下の確実なガイドからほど遠い。長距離送電では、発電所と変電所の間の電話通信が、変電所で定常的な電圧を維持するための必要な変更を発電所のアテンダントの注意に引く最も一般的な方法である。現在、広範な送電システムは、発電所とすべての変電所の間、または単一の変電所といくつかの供給する発電所間の電話接続なしで運用されるものは少ない。したがって、ハドソン川のスピア・フォールズ発電所は、スケネクタディ、アルバニー、トロイ、および半ダースの小さな場所の変電所と電話で接続される。一方、4つの水力発電所からのエネルギーを受けるニューハンプシャー州マンチェスターの単一変電所は、各々に直接電話線を持つ。
同じ発電所からの2つ以上の送電線が同じバスバーセットから運用される場合、これらのバスバーでの圧力変化で各ラインの遠い点での電圧を定常的に保てない。1つの発電機だけが各送電線に接続され、そのラインの損失のために調整されるかもしれないが、これは複数運用の利点を失う。もう一つの計画は、各送電線に発電所から出る前にレギュレーターを接続することである。この目的のレギュレーターの1つのタイプは、二次コイルが複数のセクションに分けられ、これらのセクションの端が一連の接触セグメントに引き出された変圧器で構成される。この変圧器の一次コイルはバスバーから電流を供給され、二次コイルは調整されるラインに直列に接続され、二次電圧がメイン回路のそれに加算または減算される。二次コイルのセクションに接続されたセグメント上の可動接触アームは、回路内のこれらのセクションの数を変化させて二次電圧を変えることを可能にする。調整目的で使用されるもう一つの変圧器では、一次コイルは以前のようにバスバーに接続され、可動二次コイルは調整されるラインに直列に置かれる。この場合の調整は、二次を一次コイルの位置に対して変化させて二次電圧を上げ下げすることで達成される。これらのレギュレーターの両方は手調整を必要とし、アテンダントは電話、圧力ワイヤー、または上で言及した補償ボルトメーターを使用して配電中心部での電圧を決定する。このいわゆる「補償器」により示される電圧は発電所でのそれから調整されるラインの電流で変化する特定の量を引いたものである。補償器のボルトメーターコイルは、互いに反対に動作する2つの変圧器の二次コイルと直列に接続される。1つの変圧器はその二次コイルが完全な発電所電圧を示すように配置され、もう1つの二次コイルは調整されるラインの全電流を運ぶ一次コイルにより作動する。一連の接触により、この最後に挙げたコイルの効果を発電所と電圧が定常的に保たれる送電線上の点間のフルロードで失われるボルト数に対応させるように変えられる。送電線に誘導低下がない場合、またはこの低下が既知で定常的な量の場合、補償器は調整が設計された点での実際の電圧を与えるかもしれない。
自動レギュレーターは、一部の発電所で発電端子または単一発電機により運用されるラインの遠い配電点で定常的な電圧を維持するために使用される。これらのレギュレーターは調整される発電機のマグネット巻線と直列のレオスタットを操作し、これらの巻線での励磁電流を変えて発電機電圧を上げ下げする。これらのレギュレーターは、可変力率を持つ長距離送電線の配電端で定常的な電圧を維持するよりも発電所で定常的な電圧を維持するのにはるかに効果的である。発電機の複巻き、発電機のマグネットコイルでの励磁電流の自動レギュレーター、および送電回路での調整変圧器にもかかわらず、長距離送電システムの発電所で最も一般的に使用されるのは発電機のマグネットコイルと直列のレオスタットの手調整である。送電線の端の変電所での自動レギュレーターが現在導入されており、非常に望ましいかもしれない。
送電システムでの調整のより厳密で最終的な作業は通常変電所で行われる。変電所の降圧変圧器の高圧コイルにほぼ定常的な電圧が供給された後、これらの変圧器、モーター発電機またはコンバーター、配電線、およびサービス変圧器での変化する損失を補償する必要がある。一般的に、3～4種類の負荷を提供する必要があり、つまり4,000～10,000ボルトの直列回路での街路照明用の弧灯または電球。商業照明用の2,000～2,500ボルトの定圧回路での弧灯と電球、約500ボルトの定圧回路での定置直流モーター、およびそのサイズと位置に応じて2,500または500ボルトで供給される交流モーターである。これらの負荷に、500ボルト直流の路面電車モーターの負荷を追加できる。定置モーターと路面電車モーターの両方、特に後者は、負荷の変化により接続された配電線上で大きな急速な電圧変動を引き起こす。電球とモーターの負荷が組み合わせられた場合の調整の問題は、したがってモーターでほぼ定常的な電圧を維持することではなく、モーターが設定する電圧変動から電球を保護することである。
約500ボルト直流を使用する路面電車モーターの場合、変電所設備には降圧変圧器とコンバーター、または変圧器の有無にかかわらずモーター発電機が含まれる。照明と路面鉄道サービスが同じ送電システムから引き出される場合、これらの2種類のサービスを完全に分離し、路面電車作業に独立した発電機と送電線、および独立した変圧器とコンバーターまたはモーター発電機を捧げる慣行がある。これはニューハンプシャー州マンチェスターを中心とする送電システムで行われ、各4つの水力発電所のそれぞれ、および変電所はスイッチボードにダブルセットのバスバーを持ち、各水力発電所から変電所まで2つの送電回路がある。運用では、発電機、バスバー、送電回路、および変圧器の1セットが路面電車モーター用のコンバーターまたはモーター発電機を供給し、もう1セットの発電機、バスバー、送電回路、および変圧器がこのシステムの照明と定置モーターに捧げられる。路面電車モーターが商業電球を供給する同じ発電機と送電線からエネルギーを引き出す場合、照明回路を変動する路面電車負荷により設定される電圧変動から保護する手段を採用しなければならない。この目的を達成する1つの方法は、変電所での同期モーターにより駆動される発電機で照明回路を運用することである。これらの発電機はもちろん、直流または交流タイプのいずれかで、任意の望まれる電圧である。これらの発電機を駆動する同期モーターは、降圧変圧器の有無にかかわらず送電線から電流を取る。この同期モーターの使用により、照明回路は送電線上のそれに対応する電圧変動を逃れ、同期モーターは接続された回路の電圧に関係なく定常的な速度を維持するからである。この計画は、路面電車システムと照明サービスが同じナイアガラの滝発電所からのエネルギーにより運用されるバッファローで採用された。バッファローの変電所の1つでは、2,200ボルト二相交流発電機と照明サービス用の150ボルト連続電流発電機の両方が、変圧器を通じてナイアガラ送電線に接続された同期モーターにより駆動される。バッファローの他の変電所では、路面電車モーター用の500ボルト連続電流が同じ送電システムから変圧器とコンバーターを通じて得られる。路面鉄道と商業照明サービスが同じ送電線から引き出される場合の電圧調整の問題のもう一つの解決策は、変電所での500ボルト連続電流発電機を送電線から直接または変圧器を通じて供給される同期モーターにより運用することである。この計画は、25マイルの半径内の多数の都市と町に広がるボストン・エディソン会社の送電システムで採用された。このシステムのナティックとウォーバンの変電所では、路面鉄道と照明負荷があり、三相送電線に直接接続された同期モーターにより駆動される500ボルト連続電流発電機を含む。このような場合、同期モーターはラインの電圧に関係なく速度を維持し、変動する負荷による変動損失にもかかわらずその電圧を安定させる傾向がある。
定置モーターは、一般的に電球を供給する同じ配電線から運用されるべきではなく、特に1馬力以上ではそうであり、これはより良い慣行である。約2,400ボルトの二相または三相交流、または500ボルト交流または直流のモーター回路は、最初のケースでは変圧器だけで、2番目では変圧器とコンバーターで変電所で供給されるかもしれない。いずれの場合も、モーター回路での定圧の調整のための特別な規定は通常必要ない。
一部の送電システムでは、定置モーター用の配電回路は照明負荷を運ぶ同じ送電線から供給されず、他の作業をしないラインからエネルギーを引き出す。この慣行は確かに望ましく、照明回路を変動するモーター負荷によるライン損失によるすべての電圧変動から解放するからである。このような例は、マサチューセッツ州スプリングフィールドとメイン州ポートランドおよびルイストンで見られ、それぞれで定置モーターの負荷は独立した送電線および配電線で運用される。
送電システムでの街路照明用の直列弧灯と電球は、変電所での直流弧ダイナモ、または定電流変圧器または自動レギュレーター付き定圧変圧器により一般的に運用される。弧ダイナモは、送電線から直接または変圧器を通じて供給される誘導または同期モーターにより駆動される。弧ダイナモは定電流のために自動調整するため、それ以上の調整は必要ない。直列弧灯と電球が交流で供給される場合、定電流変圧器または定電流レギュレーターが使用される。このタイプの変圧器とレギュレーターはどちらも、電球と直列のこのコイルでの電流がほぼ定常的に保たれるように変圧器コア上の二次コイルの移動に依存する調整効果を持つ。このような定電流変圧器とレギュレーターは通常、通常の定圧変圧器を通じて送電線から供給され、使用目的のために十分に定常的な電流を保つ。
調整の主な問題は、変電所での変圧器またはモーター発電機または両方を通じて送電線から供給される電球照明用の250または2,200ボルト定圧回路に戻る。この調整のための最も信頼できる機器の1つは、マイナー配電中心部からの圧力ワイヤーで接続されたボルトメーターにより導かれ、上記の調整変圧器または他の調整装置を調整する熟練したアテンダントの手である。
第XIII章。
守り線と避雷器。
雷はそのさまざまな形態で送電システムがさらされる最大の危険であり、最も脆弱な点、つまり絶縁を攻撃する。雷の小さな危険は、線路絶縁体を貫通し、ポールを破壊したり火災を引き起こしたりすることである。より大きな危険は、雷放電が送電線に沿って発電所や変電所に通り、そこでの発電機、モーター、または変圧器の絶縁を破壊することである。雷による損傷は2つの方法のいずれかで防ぐことができ、つまり送電線を完全にシールドして雷の充電や放電のどの形態も到達できないようにするか、または線路導体から地への非常に簡単な経路を提供して、これらの導体に到達した雷が他の経路ではなく意図された経路をたどるようにすることである。実際には、シールド効果は接地された守り線により求められ、放電のための簡単な経路は避雷器の形態を取るが、これらの装置のいずれも完全に効果的ではない。
空中送電線は直接の雷放電、近くの雷放電による電磁充電、および電気的に充電された空気体との接触または誘導による静電充電にさらされる。明らかに、オーバーヘッド線をこれらのすべての影響から解放するシールドを提供するのは非現実的である。雷放電の静電および電磁誘導の両方をワイヤから遮断し、可能な直接の雷放電から解放するためには、少なくとも導電性材料の厚い体でワイヤを完全に包む必要があるようである。この条件は電気回路が地表の下にある場合に近似されるが、裸のオーバーヘッドワイヤで維持するのは難しい。しかし、長距離空中回路に近く平行に接地された守り線は、周囲の空気中の高い静電圧を放電する傾向があり、直接の雷放電が高絶縁回路を地への経路として選択する確率を大幅に減少させるはずである。避雷器は誘導および直接の雷放電を損傷なしに地へ導くことができ、したがって避雷器と守り線は同じシステムで論理的に使用できる。
守り線の一般的な望ましさに関する意見の大きな違いは、それらの疑いようのない欠点と、それらが提供する保護の度合いが不確かであるため存在する。しかし、守り線の欠点は目的のために使用されるワイヤの種類とその設置方法に大きく依存するようである。亜鉛メッキ鉄線で数インチごとに棘があるものが、送電線沿いの守り線として他の種類より一般的に使用されてきた。時々、このような単一の守り線が送電回路を運ぶポールラインに走り、この単一ワイヤのより一般的な位置はポールの頂上である。他の場合、同じポールラインに2つの守り線が使用され、これらのワイヤの1つが最高のクロスアームの各端に位置し、電力ワイヤの外側である。これらの守り線に加えて、一部のシステムではポールの頂上に3番目のワイヤが追加された。これらの守り線は時々、ワイヤの上に鉄製ステープルを打ち込んで木材に固定され、他の場合では守り線が小さなガラス絶縁体に取り付けられる。守り線の接地接続に関する慣行にも大きな変動があり、一部のシステムではすべてのポールで接続され、他の一部でははるかに少ない頻度である。
守り線の実際の適用でのこれらのすべての違いで、それらの有用性に関する意見が一致しないのは不思議ではない。守り線の実際の価値に関する意見の違いのさらなる理由は、一部の地域では雷の危険が避雷器により最も効果的に提供される静電と誘導の種類が大きい一方、他の地域では直接の雷打撃が送電システムへの最大の脅威であるという事実にある。現在、雷の一般的な見出しの下で知られるエネルギーのさまざまな現れを支配する法則の知識は不完全であり、送電線沿いの守り線の使用のための最も信頼できる規則は実際の経験から導かれるものである。
守り線が雷に対する保護として効果的でなかったケースは、コロラド州テリュライドのサン・ミゲル・コンソリデーテッド・ゴールド・マイニング会社のものあり、その3つの送電線は水力発電所から3～10マイル離れたポイントまで走り、A. I. E. E., vol. xi., p. 337以降で記述されている。この送電は3,000ボルト、単相交流で運用され、ポールラインは海抜8,800～12,000フィートの山を越え、裸の尾根と磁性材料の地域を通過した。ライン沿いの良好な接地接続を確保するのは実質的に不可能なほど乾燥し岩が多い地域であると述べられ、接地ワイヤがどのように接地されたか、またはその接地接続の数については言及されていない。さらに、各ポールラインに単一の守り線以上があったようではない。これらの状況下で、発電所で使用中の特定の種類の避雷器で、雷は接続された装置への損傷の頻繁な原因だった。一部の機械の絶縁は蜂の巣状の穿孔で満ち、継続的な漏れ、接地、短絡を引き起こし、損傷が直接の雷打撃ではなく静電と誘導放電によるものであることを示しているようである。このシステムで使用中の避雷器のタイプが変更され、新しい避雷器に徹底した接地接続が提供された後、雷による損傷は終了した。しかし、守り線が除去されたとは述べられていない。このケースは守り線が保護を与えなかった1つとして言及されたが、上記の事実からわかるように、そのような声明はほとんど公正ではない。まず、各ポールラインの単一の守り線がどこかで効果的に接地されていたようではない。再び、装置への損傷の大部分は自然に守り線で防げなかった静電と誘導放電の結果であるようである。最後に、新しい避雷器が設置された後で守り線が除去されなかったため、このワイヤが破壊的だったであろう送電線上のいくつかの直接放電を防いだ可能性がある。
上で引用したA. I. E. E.の巻の381ページでは、スタテン島の特定の電気発電所に入った雷放電の頻度と激しさが、接続された回路に守り線が設置された後で守り線が設置される前よりはるかに少ないと述べられている。
同じ巻の385ページでは、この国とヨーロッパの多数の発電所の統計の調査が、電力回路の上にオーバーヘッド守り線が設置されたすべてのケースで、またはこれらの回路が全距離で電信線の下を走った場合、雷がそう保護された回路にトラブルを与えなかったことを示したと述べられている。残念ながら、この声明をした話者は言及された興味深い統計をどこで相談できるかを教えてくれなかった。
ナイアガラの滝からバッファローへの電力送電のための最初のポールラインでは、2つの守り線がそこに位置するガードアイアンで頂上クロスアームの反対端に張られた。このクロスアームはまた2つの電力回路の一部を運び、これらの回路の最近のワイヤはガードアイアンから約13インチ離れていた。これらの守り線は棘付きで、すべての5番目のポールで接地され、A. I. E. E., vol. xviii., 514以降の記述によると。接地接続の性質は述べられていない。送電線上の接地と短絡の多くのトラブルは、氷のコーティングの重量と風圧により破断したときにこれらの守り線により引き起こされた。これらのトラブルの結果として、守り線は1898年に除去された。その日付以降、ナイアガラの滝とバッファロー間の送電線は守り線なしだったようである。上で引用した巻の537ページによると、1901年までナイアガラ発電所の運用の中断の20パーセントが雷により引き起こされ、この記録は守り線が除去された1898年後の期間に適用されるようである。また、単一の嵐中にラインが5回打たれ、5つのポールがクロスアームとともに破壊されたと述べられている。これらの直接の雷打撃がライン沿いに守り線がないときに発生した場合、事実のようであるが、良好に接地されたそのようなワイヤが損傷なしに放電を運んだかどうかは公正な質問である。カリフォルニアのシエラネバダ山脈のエレクトラの10,000馬力発電所とサンフランシスコ間の154マイルの距離で守り線が使用されていないようである。もう一つの重要な送電線で守り線なしで運用されているのは、ミズーリ川のカニオン・フェリーの10,000馬力発電所とモンタナ州ビュートの65マイル離れた場所である。ウィスコンシン州アップル川の発電所とミネソタ州セントポールの変電所の約27マイルの長い送電線では、雷保護のための守り線がない。さらに東では、北のスピア・フォールズとグレンズフォールズから南のアルバニーまでの直線距離40マイルの大きな新しい送電システムでは、守り線が使用されていない。その途中で上で言及した送電システムはサラトガ、スケネクタディ、メカニクスビル、トロイ、および多数の小さな場所に触れ、数百マイルのオーバーヘッドワイヤのネットワークを形成する。このような例を増やすことができるが、すでに挙げたものは守り線なしで長距離送電システムを運用するのが完全に実用的であることを示すのに十分である。
守り線のある送電システムとないもののこれらの例で、特定のラインでのその使用の適切さは、既存の条件下でその想定される利点に対してその既知の欠点を比較検討して決定されるべきである。手元にあるすべての証拠から、守り線が送電システムに保護を提供する場合、そのようなワイヤは頻繁に効果的に接地されなければならないことがかなり確実であるようである。一方で、一部の事例で守り線が送電システムを保護しなかったのは、多くの効果的な接地接続の欠如のためかもしれない。例えば、上で言及したコロラド州テリュライドの場合がそうかもしれない。一方、モントリオールとシャンブリーのラインの守り線により提供された明らかに高い保護の度合いは、これらのワイヤがすべてのポールではんだ付けされたジョイントを通じてその基部に巻かれた接地ワイヤに接続されたためであると信じるのが合理的である。守り線がライン上の電力ワイヤに近いほど、破断または他の方法で守り線が電力ワイヤに接触する危険が大きい。守り線により与えられる保護は、電力ワイヤとの距離が減少するにつれてそれほど急速に増加しない可能性が高い。ライン上の1つの守り線が望ましいと思われる場合でも、2つまたは3つの守り線を使用すべきであるとは限らず、1つのワイヤにより与えられる保護を超える2つまたは3つの守り線の追加保護は微々たるものであり、設置コストと電力回路とのクロスの危険は守り線の数とともに直接増加する。一時期、守り線に棘を持つことが非常に望ましいと思われたが、現在より良い意見は、棘がワイヤを弱くし、破断を引き起こし、価値よりトラブルを引き起こす傾向があるようである。棘が位置する点はワイヤの他の部分より速く錆びるようである。一部のケースでは、破断によりトラブルを与えた棘付き守り線が取り下げられ、代わりに滑らかなワイヤが設置された。守り線が少なくともすべての他のポールごとに良好に接地されている場合、そのサイズは機械的強度と耐久性の考慮で大きく決定されるかもしれない。通常のスパンでは、No. 4 B. & S. G.亜鉛メッキ軟鉄線が守り目的に適切であるようである。鉄は銅、アルミニウム、または青銅より低いコストで必要な機械的強度と十分な導電性を与え、扱いやすく鋼より破断しにくいため、守り線に最も望ましい材料であるようである。以前は守り線をポールの頂上またはクロスアームの端にステープルで固定する慣行だったが、ワイヤがステープルで錆びて破断しやすいことがわかり、良いクラスの作業ではそのようなワイヤが小さな絶縁体に取り付けられるようになった。この慣行は、上で述べたようにモントリオールとシャンブリーのラインで採用された。すべてのケースで守り線とその各接地ワイヤ間の接続ははんだ付けされ、接地ワイヤは大きな表面を湿った土と接触させるべきであり、接地プレートとはんだ付けされたジョイントを通じて、ポールの尻に複数のターンで巻くか、他の手段で。
一部の電信エンジニアは、各ポールの頂上まで走る別々の接地ワイヤの使用が、通常の守り線に対する雷に対する保護としてかなり効果的であると考えている。
この慣行は「Culley’s Handbook of Practical Telegraphy」の26ページで言及されている。このような接地ワイヤは通常の守り線のほとんどの欠点から自由である。交流ライン沿いの守り線で頻繁に接地されたものは、その接地接続のため変圧器の二次回路として動作し、電力回路からエネルギーを吸収しなければならないことが確実であるようである。しかし、通常の場合この損失がどれだけ大きいかを示す実験データはまだ利用できない。作業導体と守り線間の静電効果がいくらかあることはかなり明らかであるが、再びそのような効果の量に関するデータが欠如している。ほとんどの送電線では、守り線が使用される場合、そのようなワイヤは最高の電力導体のいずれか上またはレベルに置かれる。三相回路の1つの導体がポールの頂上のピンセットに取り付けられ、残りの2つの導体がその下の2ピンクロスアームにある場合、非常に高い電圧の送電線で最も頻繁に採用される方法で、守り線を電力回路の上またはレベルに置くのは明らかに非現実的である。最後の送電では、守り線を完全に省略し、雷保護のために避雷器に頼る強い傾向がある。
避雷器は誤って命名されており、その真の目的は雷を逮捕または停止することではなく、地への非常に簡単な経路を提供して線路またはシステムに接続された機械の絶縁を通って強制的に通り抜けないようにすることである。避雷器の要件は度合いで対立しており、提供する経路の抵抗は大気電気の放電を地へ許すほど低く、送電線間の電流の流れを防ぐほど高くなければならない。つまり、避雷器が各導体と地間に接続されているにもかかわらず線路導体の絶縁を高い基準で維持しなければならないが、避雷器への抵抗は雷が他の点で線路または機械の絶縁を貫通しないように高くないことである。避雷器を通る雷放電が発生するとき、避雷器が電流の流れに提供する抵抗は雷が避雷器の空気ギャップをジャンプして設定したアークによりその瞬間大幅に減少する。送電回路の各ワイヤは同様に避雷器に接続されなければならず、これらの避雷器でのアークを通った地への低抵抗経路は接続された発電機を短絡するだろうが、この結果を防ぐ何らかの構造が採用されない限りそうである。一部の初期タイプの避雷器では、磁気または機械装置が雷放電により形成されたアークをブレークするために使用された。
送電線での交流で現在一般的に使用される避雷器のタイプは、磁器ブロックに取り付けられた短い並行の真鍮シリンダーの列で、それらの並行側面間の空気ギャップが1/32～1/16インチである。この列の一端のシリンダーは線路ワイヤに接続され、他端のシリンダーは地に接続され、2,000または2,500ボルト回路が保護される場合である。より高い電圧では、これらの単一避雷器の数が互いに直列に接続され、シリーズの自由端がそれぞれ線路ワイヤと地に接続される。したがって、10,000ボルトラインでは、4つまたはより良い5つの単一避雷器が直列に接続されて各線路導体の複合避雷器を形成する。この慣行の1つの大製造会社の変種は、大理石ボードに単一避雷器のグループを直列に取り付け、調整可能な空気ギャップと直列にすることである。このギャップはライン上の大きな電圧増加がスパーク放電により緩和されるように調整されることを意図している。真鍮シリンダーと空気ギャップのみで構成された避雷器は、雷放電によりすべてのシリンダー間で開始されたアークが各線路ワイヤと地間の抵抗を大幅に低下させるため、発電設備が短絡され、アークが大気電気の逃げで停止しないかもしれないという欠点を持つ。この困難を避けるために、避雷器の真鍮シリンダーと空気ギャップと直列にカーボランダムのロッドのようなかなり大きなオーム抵抗の導体を接続する慣行である。この抵抗は雷放電に深刻な障害を提供しないように非誘導性でなければならず、その抵抗は避雷器で雷放電により開始されたアークを維持するのに十分大きな発電機からの電流の流れを防ぐのに十分大きくなければならない。特定の電圧の避雷器で使用されるこの抵抗の量に関する正確なデータは欠如している。粗い近似規則として、一部のケースで良好な結果が得られるのは避雷器のグループと直列のオーム抵抗が線路電圧の数値の1パーセントを表すことである。つまり、10,000ボルトラインでは各ワイヤの避雷器グループが例えば100オームの抵抗を通じて地に接続され、発電機電流が避雷器を通る雷放電のアークに続く場合、1つの線路ワイヤからもう1つへ流れるために固定抵抗200オームを通らなければならない。この規則は一部のケースで良好に動作する抵抗の例として与えられ、一般的な適用を持つべきではない。避雷器と直列に接続された抵抗が高ければ、雷が絶縁が低い線路または機械の他の点で地へ行く傾向が少し大きい。避雷器と地を接続するために小さな抵抗だけが使用される場合、雷放電により形成されたアークがダイナモ電流により追従され維持される危険がある。1つの種類の避雷器では、真鍮シリンダーの列が上で言及した目的のための抵抗を形成する炭素ロッドの端に接続される。これらの炭素ロッドの2つが2,000または2,500ボルトの各避雷器に含まれ、各ロッドの抵抗は望まれるように数十から数百オームのどこかである。この形式の避雷器は外部抵抗の介入なしに線路から地に直接接続され、炭素ロッドは望ましいすべての抵抗を容易に与えられるからである。
避雷器の設置での最も重要な特徴の1つはその地への接続である。この接続が悪い場合、雷からの保護に関して避雷器を無用にするかもしれない。建物の壁や乾燥した土に長い鉄スパイクを打ち込んで形成された接地接続は雷からの保護に関して小さな価値であると言わなければならない。避雷器のための良好な接地接続は銅または亜鉛メッキ鉄板で形成され、1/16インチを超える厚さでなくてもよく、例えば10～20平方フィートの面積を持つべきである。このプレートは円筒の形態に便利に作られ、数本の半インチの穴を持ち、1本または複数の銅ワイヤがB. & S.ゲージのNo. 4またはNo. 2ワイヤの総面積に等しいものが通され、次にはんだ付けされる。このプレートまたは円筒は周囲の土が常に湿っていることを確実にするのに十分深く地に置かれ、接続された銅ワイヤは避雷器まで延びる。この円筒をコークスまたは木炭の層で囲むのは良い計画である。
避雷器のための良好な地接続は大きな水道管を通じて作られるかもしれないが、これをするためには避雷器からのワイヤをパイプに巻くだけでは十分ではない。このようなパイプとの適切な接触は、パイプに1つまたは2つの大きなボルトをタップし、次に避雷器からのワイヤをこれらのボルトの頭に掘られた穴にはんだ付けすることで作られる。川のベッドに置かれた金属プレートは良好な接地を作る。
一部の古いタイプの避雷器では線路ワイヤと地間のヒューズを挿入する慣行だったが、この慣行は避雷器が設置された目的を敗北させる。なぜなら、ヒューズは最初の雷放電で溶融し、避雷器を切断し回路を無防備に残すからである。交流回路のための現代の避雷器は金属シリンダーと短い空気ギャップの一連で構成され、線路と地間のヒューズなしに固く接続される。
[イラスト: FIG. 73.–ネバーシンク川の発電所へのラインの入り口。]
避雷器をほとんど発電所に位置させるのが慣行だったが、これは経験と線路が大気電気のコレクターとして動作する事実の考慮により修正され、その逃げのための経路がライン沿いに提供されるべきである。考慮は、発電所から数マイルのラインに到達した雷が地への簡単な経路を見つける前に大きな損傷をするかもしれない発電所に移動することを強制される良い理由を明らかにしない。したがって、現在の慣行は、ライン沿いの間隔で各ワイヤに避雷器を接続し、発電所と変電所でもそうすることである。ポールライン沿いの避雷器の倍増は、適切な保護と一致する限り避けられるべきである。なぜなら、避雷器のすべてのバンクが頻繁に検査され、清潔に保たれ良好な状態に保たれない限り、永久的な接地または短絡を発展させるかもしれないからである。
ライン沿いに接続されたものに加えて避雷器は発電所と変電所の内部またはすぐ外に位置するべきである。建物が木製の場合、避雷器は耐候ケースの外側に置くのが良いが、レンガまたは石の建物では避雷器は内部壁の近くに適切に位置し、他のすべての発電所設備からよく離れる。送電線は発電所または変電所に入るとき、避雷器にすぐに通り、運用機械のいずれかに接続する前にそうする。
避雷器により提供される保護の度合いを増加させるためにチョークコイルがそれらと頻繁に使用される。この目的のチョークコイルは通常、20～30以上のターンを含む銅ワイヤまたはストリップの平らなコイルで、端子付きの木製フレームに取り付けられる。このコイルは避雷器のタップが作られる点と発電所装置間の線路ワイヤと直列に接続される。雷放電は高度に振動的な性質であることが知られ、その周波数は送電システムで開発される交流のそれよりはるかに大きい。これらのチョークコイルを通る雷放電の自己誘導は大きく、結果として放電がチョークコイルを通って発電所装置に入るのを防ぎ、避雷器を通って地へ放電を強制する傾向がある。送電で使用される交流は比較的低い周波数であるためチョークコイルでの自己誘導は小さい。避雷器のグループを同じラインワイヤに連続して接続することで雷に対する保護が増加する。これは、いずれの避雷器も地へのいくつかの経路を与え、最初のグループを通る放電は2番目または3番目のグループで地へ行く可能性が高い。一部のケースでは、各2つの避雷器グループ間と発電所装置とそれに最近の避雷器グループ間にチョークコイルがラインワイヤに接続される。
雷嵐が非常に頻繁で深刻なコロラド州テリュライドの電気送電発電所は、記述されたタイプの避雷器とチョークコイルで装備され、結果が注意深く記録された（vol. xi., A. I. E. E., p. 346）。避雷器とチョークコイルのための小さな家がこのシステムの発電所の近くに建てられ、それらは木製フレームに取り付けられた。各線路ワイヤに4つのチョークコイルが直列に接続され、これらのチョークコイル間に3つの避雷器が接続され、4番目の避雷器はいずれのチョークコイルにも到達する前にラインに接続された。これらの避雷器は、どのワイヤのどの避雷器バンクが地への雷放電を最も多く通したかを調べるために、雷シーズン全体で監視された。ラインが避雷器のシリーズに来る側から始めて、最初の避雷器バンクが雷放電のわずかしか通らなかったことがわかり、2番目のバンクが他のどのバンクより多くの放電を通り、3番目のバンクがかなり多くの放電を通り、4番目のバンクは雷放電の兆候をほとんど示さなかった。これらの観察からの明らかな結論は、発電所でラインに連続して接続された3つまたは4つの避雷器バンクとチョークコイルが単一のバンクより雷からのはるかに良い保護を形成するようである。問題の発電所、サン・ミゲル・コンソリデーテッド・ゴールド・マイニング会社のものでは、問題の避雷器の設置後の全体の雷シーズンが設備のいずれにも雷による損傷なしで過ぎた。上で言及した直前の2つの雷シーズンでは、発電所の発生機械への雷による損傷が頻繁で広範囲だった。
避雷器とチョークコイルにより達成される雷放電に対する高いセキュリティの度合いの良い例はナイアガラの滝発電所に存在し、昇圧および降圧変圧器が雷により決して損傷されなかったが送電線が繰り返し打たれポールとクロスアームが破壊された（vol. xviii., A. I. E. E., p. 527）。この例は、避雷器が絶対的な保護ではないが、電気発電所の装置に高いセキュリティの度合いを提供するという一般的な経験を裏付ける。
雷放電は避雷器が一部のケースで線路間からワイヤ間を横断して接続され、フルライン圧力が空気ギャップを横断して電流を強制する傾向がある。この慣行の目的は、共振によるような回路上の過度な電圧を防ぐことである。この場合、線路ワイヤから地への避雷器が雷に対する保護として接続される場合のように、空気ギャップの数は通常のライン電圧がシリンダー間のアークを開始しないようにするべきである。
避雷器での空気ギャップの一連の数と総長は、そのギャップが与えられた電圧でアークの通過を防ぐのに必要なものより、その構造とそれが接続される回路の通常電圧以外に依存する。
アメリカ電気技師協会の標準化委員会の報告によると、さまざまな実効正弦波電圧での反対する鋭い針点間の空気でのスパーク距離は以下の通りである（vol. xix., A. I. E. E., p. 1091）：
+——————–+—————+
|キロボルト平方根 |インチスパーク|
|平均二乗。 | 距離。 |
+——————–+—————+
| 5 | 0.225 |
| 10 | .47 |
| 15 | .725 |
| 20 | 1.0 |
| 25 | 1.3 |
| 30 | 1.625 |
| 35 | 2.0 |
| 40 | 2.45 |
| 45 | 2.95 |
| 50 | 3.55 |
| 60 | 4.65 |
| 70 | 5.85 |
| 80 | 7.1 |
| 90 | 8.35 |
| 100 | 9.6 |
| 110 | 10.75 |
| 120 | 11.85 |
| 130 | 12.95 |
| 140 | 13.95 |
| 150 | 15.0 |
+——————–+—————+
この表からすぐにわかるように、点間のスパーク距離はそれらの間の電圧よりはるかに速く増加する。したがって、20,000ボルトは点間の1インチの空気ギャップをジャンプするが、この圧力の7倍、または140,000ボルトは13.95インチの空気ギャップを横断するスパークを強制する。2つのシリンダーまたは他の鈍い体は与えられた電圧でそれらの間のスパーク距離が針点のそれより小さいが、複数のシリンダーが並んで短い空気ギャップで置かれた場合、与えられた電圧でアークの通過を防ぐこれらのギャップの総長は針点間のその電圧のスパーク距離よりはるかに大きくまたは小さくなるかもしれない。テストでスパークの通過を防ぐのに必要なシリンダー間の1/32インチスパークギャップの数は、名指しされた電圧と電動勢の正弦波で以下の通りであることが実験でわかった（vol. xix., A. I. E. E., p. 1026）：
+———-+———+
|1/32インチ| 通常 |
|空気ギャッ|電圧阻止。|
|プの数 | |
|直列。 | |
+———-+———+
| 5 | 6,800 |
| 10 | 10,000 |
| 15 | 12,500 |
| 20 | 14,500 |
| 25 | 16,400 |
| 30 | 18,200 |
| 35 | 19,300 |
| 40 | 20,500 |
| 45 | 21,700 |
| 50 | 22,600 |
| 55 | 23,900 |
| 60 | 25,000 |
| 65 | 26,000 |
| 70 | 27,000 |
| 75 | 28,000 |
| 80 | 29,000 |
+———-+———+
これらのデータによると、10,000ボルトでの放電を防ぐためにシリンダーの列に必要なのは10の空気ギャップで各1/32インチで合計0.3125インチであるが、この電圧でスパークを得る反対する針点は0.47インチ離れているかもしれない。一方、非アーク合金のシリンダー間の1/32インチの80の空気ギャップ、または総ギャップ2.5インチは29,000ボルトでの放電を防ぐのに必要であり、30,000ボルトは反対する針点間の単一ギャップの1.625インチだけを横断するスパークを強制できる。
上で記録されたテストで存在した条件下では、避雷器でのアークの形成を防ぐのにちょうど必要な1/32インチ空気ギャップの総長が針点間の単一スパーク距離に等しい圧力は約18,000ボルトであるようである。
送電線のための避雷器での総空気ギャップを複数の短いギャップに分ける目的は、雷放電により開始されたアークが通常の発電機または線路電流により継続することを防ぐことである。電気スパークが金属から金属へ空気を通って跳ぶとすぐに、激しく加熱された空気と金属蒸気により低電気抵抗の経路が形成される。このように形成されたアークが例えば2インチ長い場合、通過電流が小さくなりゼロに落ちるとある量冷却する。しかし、この2インチの総アークが金属片により64の部分に分けられた場合、電流が減少する間の冷却プロセスは金属片の大きな導電力のため単一の2インチアークよりはるかに急速に進む。交流電流は各周期で2回ゼロになるため、避雷器で雷放電により形成された多くの短いアークは、線路電圧の次の小さな値の間にそれらが急速に冷却されるため、避雷器が接続されたシステムに適切に設計されている場合、通常の線路電圧がそれらを維持できない点に抵抗が急速に上昇する。こうして多くのギャップ避雷器は、単一の長いアークに組み合わせられた場合ラインを短絡する電流が流れる雷放電により開始された多くの小さなアークを破壊する。
ある金属のように鉄と銅の間で電気アークが通るとき、それらの表面に小さなビードが上がる。これらの金属が避雷器のシリンダーに使用された場合、それらの表面のビードは短い空気ギャップを急速にブリッジする。他の金属、例えば亜鉛、ビスマス、アンチモンは、それらの表面間のアークの通過により穴が開く。これらの2つのクラスの金属の適切な混合により、避雷器のシリンダーのための合金が得られ、少ししか穴が開かず、したがって雷放電により少ししか傷つかない。長い使用と多くの放電の後、ここで考慮されたクラスの避雷器は徐々に電気アークを破壊する力を失う。これは亜鉛の燃焼とシリンダーの表面に銅を残すためかもしれない。
避雷器の構造と通常の線路電圧のほか、アークを破壊する力は接続された発電機がギャップを通る電流が流れる短絡で電流を供給する容量と回路のインダクタンスに依存する。システムに接続された発電機の容量が大きいほど、避雷器がアークをブレークする条件が厳しく、破断される電流が大きい。同様に、回路のインダクタンスの増加はアークをブレークする避雷器の作業を追加する。
電圧位相のその時点でゼロまたは近くで雷放電により開始されたアークは避雷器により容易に破壊されるが、通常の線路電圧が最大値を持つ瞬間に開始されたアークは避雷器を通るより大きな電流により生成されたより大きな熱のためはるかにブレークしにくい。この理由で避雷器でのアークは一部のケースで他のケースより長く持続し、雷放電により開始された位相の部分による。雷放電はもちろん線路電圧の任意の位相で発生し、この理由で特定の避雷器が常に結果のアークをブレークすることを観察から確実に知るためには多くの放電が発生しなければならない。1秒あたり25～60サイクルでは与えられた避雷器のアークをブレークする力に後者への小さな違いがあり、おそらく低い周波数で位相あたりアークでより多くの熱が開発されるためである。
通常の線路電圧により直接アークを発展させるのを防ぐために避雷器での総空気ギャップを増加させると同時に、接続された発電機の容量の増加は、より大きな電流により流れるアークが十分に急速に冷却されるために総空気ギャップのより多くの細分化を要求する。これらの2つの要件は程度で対立しており、総空気ギャップの細分化はすでに示されたように通常の線路電圧によりアークの通過を防ぐのを少なく効果的にする。結果として、大きな容量のシステムではアークを破壊するのに必要な避雷器での空気ギャップの数と総長は、避雷器と直列に比較的大きな抵抗が接続されない限り、通常の線路電圧によりアークを発展させるのを防ぐのに必要なこれらの空気ギャップの数または長より大きい。各避雷器と直列の抵抗を増加させるとともに総空気ギャップの長さを増加させることは、雷放電の時にラインと接続された装置の絶縁に生成される歪みを増加させる。一部の避雷器の種類では抵抗がすべての空気ギャップの一部と並列に接続され、この避雷器の純利点はそれ以外必要だったより低い抵抗をすべての空気ギャップと直列に使用できることである。この避雷器の総空気ギャップの半分がシャント抵抗によりシャントされ、シリーズとシャント抵抗は互いに直列である。最初に雷放電によりジャンプされるのはシャントされていないシリーズ空気ギャップだけで、放電はこれらの空気ギャップとシャントとシリーズ抵抗をすべて直列に通って地へ通る。アークは次にシャントされた空気ギャップで開始され、このアークは順番にシャントがこれらのギャップでの電流を弱めるため破壊される。これによりアークの全電流がシリーズ空気ギャップとシャントとシリーズ抵抗をすべて互いに直列に通る。シャント抵抗が比較的大きいため、シリーズ空気ギャップでのアークを維持する電流が次にこのアークが破断される点に減少する。その製造者の主張をそのまま取ると、シャントされた空気ギャップの利点はあまり明確ではない。シリーズ空気ギャップだけは明らかに通常の線路電圧がそれらを横断してアークを開始しないようにしなければならず、これらの同じシリーズギャップはそれらを通るライン電流のアークをシャントとシリーズ抵抗をすべて直列に流れるのをブレークできるようにしなければならない。明らかにラインと装置の絶縁への最大の歪みは雷放電がシリーズギャップとシャントとシリーズ抵抗をすべて互いに直列に通る瞬間に発生する。
なぜシャントされた空気ギャップで後続のアークを発展させるのか？なぜシャント空気ギャップを捨ててシャントとシリーズ抵抗を組み合わせないのか？
第XIV章。
陸上および水中の電気送電。
長距離で送電されるエネルギーは、時には地下または水中の導体を通らなければならない。他の場合では、送電線の一部を水下にするかオーバーヘッドにするかの相対的な利点の問題である。送電されたエネルギーが大都市の中心部の変電所に入る必要がある場合、使用される電圧に関係なく地下導体で通ることがしばしばある。一部の都市では、電圧が中程度の数値以内であればオーバーヘッドで運べるが、それ以外ではできない。ここでは、高電圧の送電線を地下に運ぶか、制限区域外に変圧所を設置し、次に低圧線をビジネスセクションにオーバーヘッドまたは地下で持ち込むかの問題になる。送電線が蒸気鉄道の軌道を横断する必要がある場合、電圧を下げても下げなくても地下にする必要があるかもしれない。送電線の経路にある水域を横断する場合、単一スパンまたはそのスパンが不可能なほど距離が大きいため、水下ケーブルが必要になる。このようなケーブルは通常の線路電圧で動作するか、水域の片側または両側に変圧所を設置できる。送電線で水域をスパンできる場合でも、そのスパンと支持物のコストが非常に大きいため、水中ケーブルの方が望ましいかもしれない。水中ケーブルを使用するのを避けるために送電線の長さを中程度増加させるのはほとんど常に推奨されるが、河川がラインの経路にある場合、オーバーヘッドまたは水中での横断を避けるのは一般的に不可能である。したがって、セントポールはアップル川の滝から25,000ボルトのラインで到達でき、途中で0.5マイル広いセントクロワ川を横断した。コルゲートとオークランド間の40,000ボルト送電を実施するために、ほぼ1マイルの清水があるカルキネス海峡を横断した。時々、上で挙げた2つのケースの前者のように、既存の橋を送電線の支持に利用できるが、より頻繁に河川の岸から岸へのオーバーヘッドスパンと同じ点間の水中ケーブル間の選択である。
高電圧でのオーバーヘッドラインの主な利点は、ほとんどの事例で地下または水中ケーブルのそれの分数である比較的小さな初期コストである。40,000～50,000またはそれ以上の非常に高い電圧では、オーバーヘッドラインはそのような圧力での地下および水中ケーブルの耐久性がまだ未知の量であるため、信頼性の点で首位を与えなければならない。一方、そのような圧力でのケーブル絶縁が経験により徹底的に効果的であることが示された電圧では、地下または水中ケーブルはこれらのケーブルが享受する機械的乱れからのより大きな自由のため、オーバーヘッドラインより信頼性が高いかもしれない。
多くの都市のビジネス部分では、送電線はその電圧が高いか低いかに関わらず地下に行かなければならない。これらの条件下では、エネルギーを配電のための変電所に送電するか、そこに位置する発電所から外部の点に送電するかが望まれるかもしれない。送電されたエネルギーがそのような変電所に到達する前に圧力が下げられる場合、変圧所を提供しなければならず、これにより地下ケーブルを中程度の電圧で動作させられる。このようなケースでの低い電圧での絶縁の利点を、ケーブルでの導体の追加重量と変圧装置と発電所のコストと比較するべきである。変圧所から供給される電圧が変電所での配電の必要な電圧に対応しない場合、送電エネルギーの電圧をオーバーヘッドラインから地下ケーブルに通る場所で下げることで降圧変圧器の容量が変電所での供給容量の各キロワットに対して2キロワットになる。まさにこのような条件がナイアガラの滝の発電所からのエネルギーの供給に関連してバッファローで存在する。この送電は最初11,000ボルトで実施され、オーバーヘッドラインが地下ケーブルに結合するバッファロー市限界にターミナル発電所が位置し、都市の異なる部分のいくつかの変電所に同じ電圧で送電を続けた。後にオーバーヘッド送電線の電圧が22,000に上げられ、地下ケーブルの絶縁をこの高い圧力にさらすのは推奨されないと考えられ、ターミナル発電所に変圧器が設置されてライン電圧を地下ケーブルの11,000に下げた。このケースの変電所も変圧器を持つため、変電所での供給容量の各キロワットに対して降圧変圧器に2キロワットの容量がある。
[イラスト: FIG. 74.–モントリオールの25,000ボルトシャンブリーラインのケーブルターミナルハウス。]
エネルギー伝送の完全な電圧を配電が発生する変電所まで継続することで変圧器の容量とケーブルの重量での節約が提供され、これらのラインが延長であるオーバーヘッド送電線の同じ圧力で地下ケーブルを動作させる強い動機を提供する。したがって、ハートフォードでは、水力発電所からの10,000ボルトオーバーヘッドラインが都市の外縁にエネルギーを運び、そこでのターミナルハウスで完全な線路電圧で変電所に送電を完了する地下ケーブルに直接接続される。マサチューセッツ州スプリングフィールドでは、水力発電所からのオーバーヘッド送電線が変電所からほぼ2マイルの距離で地下ケーブルに直接接続され、これらのケーブルはこうして6,000ボルトの完全な線路圧力にさらされる。アップル川の滝からセントポールへの25,000ボルトオーバーヘッドラインがそこで変電所から約3マイルで終了し、送電は25,000ボルト圧力で地下ケーブルにより完了される。
これらと類似のケースでは、都市の中心部分での完全な送電電圧での地下ケーブルとはるかに低い圧力でのオーバーヘッドラインの相対的な利点を比較しなければならない。中程度の電圧でのオーバーヘッドラインは、地元規制で許可される場合、ほとんどすべてのケースで等長で完全な送電電圧での地下ケーブルよりコストが低いだろう。
中程度の電圧でのオーバーヘッド都市ラインの低いコストへのオフセットとして、低圧による導体の重量の増加と追加の変圧器容量のコストが来るが、送電を完了するラインが配電の電圧で動作しない限りそうである。グレートフォールズからメイン州ポートランドへの10,000ボルトラインは、それぞれ変電所から約0.5マイルと2.5マイル離れた2つの変圧器ハウスで終了する。これらの変圧器ハウスでは電圧が2,500に下げられ、次にこの圧力で送電がさらに変圧なしで配電が発生する変電所に続けられる。
河川または他の水域を送電線が横断する必要がある場合、3つの計画のいずれかが採用される。オーバーヘッドラインはそのまま水域を横断して続き、単一スパンまたは水域にその目的で構築された1つまたは複数のピアで支持された2つ以上のスパンで。オーバーヘッドラインは水中ケーブルに直接接続され、このケーブルは送電の完全な電圧にさらされる。第3の手段として、水中ケーブルを敷設し、横断される河川または他の水域の片岸に降圧変圧器と他岸に昇圧変圧器に接続する。これらの変圧器に接続するオーバーヘッドラインは明らかに任意の望まれる電圧で運用でき、これはケーブルについても同じである。
水域を横断する距離が送電線を単一スパンで運べないほど大きくない場合でも、そのようなスパンのコストは大きいかもしれない。例として、コルゲートとオークランドのラインが4,427フィートのスパンでカルキネス海峡を横断するケースがある。これらの海峡は送電線が横断する場所で約3,200フィート広く、オーバーヘッドラインは航行を妨げないように高水位から200フィート以上必要だった。高さを獲得し塔の高さを減らすために、海峡の反対側で4,427フィート離れた2つの点が位置に選ばれた。これらの状況下で、4つの鋼ケーブルを支持するために65フィートと225フィートの鋼塔が2つ必要だった。これらの4つのケーブル、クリアスパンがブルックリンブリッジのほぼ3倍の各々の歪みを取るために、ハウスドストレイン絶縁体付きの8つのアンカーが構築され、各塔の陸側に4つずつ。各アンカーでの歪みは24,000ポンドであると言われる。これらのスパンを作るケーブルでの各端にはスイッチハウスがあり、2つの三相送電線のいずれかが4つの鋼ケーブルの任意の3つに接続され、修理のために1つのケーブルを自由に残す。これらの鋼塔とケーブルの相対コストを同じ作業のための水中ケーブルと述べるのは不可能であるが、一見すると問題は開いている。40,000の電圧、この送電が実施されるものは、おそらく使用中の水中ケーブルでのそれより高いが、そのような電圧で適切なケーブルを運用できる可能性がある。水下ケーブルに適用される電圧の限界が何であれ、スイッチハウスで昇圧および降圧変圧器を使用し、水中ケーブルを任意の望まれる電圧で運用するのはもちろん実用的だった。
もう一つのケース、ニューハンプシャー州ポーツマスとドーバー間の送電では、13,500ボルトで運用される三相回路のラインが4,811フィート長で必要だった。この横断で大きなスパンまたは上げ下げ変圧器の使用を避け、完全な送電電圧で運用される水中ケーブルを通じてラインを完了することが決定された。この目的で、内部6×8フィートでコンクリートフロアからタイル屋根まで13フィートの標高のレンガターミナルハウスが湾の各岸に水中ケーブルが出てくる点で建てられた。鉛被覆ケーブルはこれらのターミナルハウスの基礎をフロアレベル下4フィートの点で貫通し、そこから壁を上ってフロア上11フィートの標高まで上がり、オーバーヘッドラインの端との接続が作られた。この接続から3つの導体の各々でスイッチと一連の避雷器にタップが運ばれた。3つの導体を含む単一の鉛被覆ケーブルがこれらの2つのターミナルハウス間の接続を作る。このケーブルの各端の鉛シースは1フィート長で外径2.5インチで、3つの導体が出てくる端で4インチに増加するターミナルベルに結合する。このターミナルベルはフレアリングの上端近くまで絶縁化合物で満たされる。
上で挙げた事例では、水中ケーブルのコストがこの水域を横断するほぼ1マイルの長いスパンと岸支持のための支出より少ないかもしれない。
地下および水中ケーブルは絶縁の信頼性を示すのに十分に長い期間、高い電圧で運用された。デプトフォードとロンドン間のフェランティ地下ケーブルは1890年以前の日付から定期的に11,000ボルトで電流を運んでいる。約5年間、総長16マイルのケーブルがセントアンソニーの滝からミネアポリスに電力を送電した。バッファローでは、約30マイルのゴム絶縁ケーブルが1897年から11,000ボルトの地下作業で使用され、1901年の最初の部分から18マイルの紙絶縁ケーブルが使用された。これらの例は11,000～12,000ボルトでの地下ケーブルを通じた送電が完全に実用的であることを示すのに十分である。ペンシルベニア州リーディングでは、1マイル長い地下ケーブルが1902年のある時点からオーリーバレー鉄道のために16,000ボルトの三相電流を運んでいる。セントポールでの三相、25,000ボルト電流を運ぶ地下ケーブルの総長は6マイルで、1900年から使用されている。この25,000の電圧は、光または電力のためにエネルギーを運ぶ地下または水中ケーブルでの定期使用で最高のものかもしれない。これまで得られた経験から、地下ケーブルの適用された電圧を絶縁の禁止的なコストに達する前に非常に大幅に増加できると考える多くの理由がある。
水中ケーブルでは、上で言及したポーツマスとドーバー送電の13,000の電圧は使用中のいずれかと同じくらい大きいかもしれない。しかし、与えられた電圧での絶縁への負担に関して地下コンジットに敷設されたケーブルと水下に敷設されたケーブルの間に実質的な違いが存在するようには見えない。いずれの場合でも、使用される電圧の全応力がケーブル内のいくつかの導体間の絶縁と各導体と金属シースの間で動作する。地下コンジットは高い電圧の絶縁体として小さな価値しか持たない。なぜなら、それらを防水に保ち、中での湿気の吸収または凝縮を防ぐのは実質的に不可能だからである。これらの理由で、そのような圧力で良好な結果を与えるケーブルは同等の電圧で水下で使用可能であるべきである。高電圧ケーブル用の標準構造は、各導体またはケーブルを構成する導体のグループの外側に連続した金属シースを含む。現在ほとんどの送電が三相電流で実施されるため、三相回路に対応する3つの導体は通常単一のケーブルに含まれ、単一のシースで覆われる。ポーツマス、バッファロー、セントポールの送電で使用されたケーブルはこのタイプである。単相または二相電流が送電される場合、各ケーブルは回路を構成する2つの導体を含むべきである。交流での作業では、ケーブルごとに1つの導体だけを使用するのはそのケーブルの金属シースで誘導される電流から生じるエネルギーの損失のため避けるべきである。
交流の完全な回路を形成する2つ、3つ、またはそれ以上の導体が単一の金属シースに含まれる場合、いくつかの導体での電流の誘導効果は互いに中和する傾向があり、シースでのエネルギーの無駄は大部分避けられる。金属シースでの局所電流の傾向をより完全に中和するために、交流回路のいくつかの絶縁された導体は別々に絶縁された後にシースが置かれる前に時々ねじられる。ナイアガラの滝での電力配電は最初、2,200ボルトの二相電流で単導体、鉛被覆ケーブルを通じて実施された。この計画への1つの反対はケーブルでの鉛被覆での誘導電流によるエネルギーの損失だった。後に2マイルを超える遠い点で10,000ボルトの三相配電を採用することが決定された。この目的の各三相回路は3つの導体で構成され、別々に絶縁され、次にバルカナイズゴムの絶縁を持つケーブルでシースでの誘導電流による損失を避けるために単一の鉛シースで覆われた。地下および水中作業の高電圧ケーブルは一般的に連続した鉛シースで覆われ、時々亜鉛メッキ鉄線のスパイラル層で覆われる。水中作業では両方の種類の被覆が使用されるが、地下作業では鉄線なしの鉛被覆が一般的に好まれる。ケーブルの鉛シースの外側に置かれた亜鉛メッキ鉄線の層で覆われたケーブルはケーブルのサイズと位置に応じて各々が0.12～0.25インチの直径のワイヤで構成される。
地下コンジットはそれらを含むケーブルを土壌の湿気と酸から除外するのに頼れないし、これらの代理のいずれかが破壊的な結果を引き起こすかもしれない。ゴム絶縁ケーブルでその外側の保護被覆なしで地下コンジットに敷設された場合、ゴムはコンジットに到達する流体とガスにより急速に破壊されるかもしれない。このようなケーブルで鉛被覆が使用された場合、土壌の酸がそれを攻撃し、電気鉄道からの迷走電流が鉛を便利な導体として見つけた場合、それらが流出する場所で急速に食われる。これらの結果を避けるために、地下ケーブルは鉛シースを持ち、このシースはアスファルトムで処理された麻またはジュートの大外層で保護されるかもしれない。
ゴム、紙、および綿は地下および水中ケーブルの絶縁として広く使用されるが、3つは通常一緒に使用されない。一般的に、絶縁は各導体に別々に適用され、次にケーブルを構成する導体のグループについて追加の絶縁層が位置できる。ゴム絶縁が使用される場合、鉛シースが追加されるかもしれないが、絶縁が綿または紙に依存する場合、外側の鉛被覆は湿気を保つために絶対に必要である。各導体とケーブルの導体のグループについての絶縁の径方向厚さは運用電圧に応じて変化するべきである。
マンハッタン高架鉄道の発電所と変電所の間のケーブルは三導体タイプで、ゴム絶縁、鉛被覆で、タイルコンジットに敷設された。各ケーブルは3つのNo. 000撚り線導体を含み、各導体は独自のゴム絶縁を持つ。ジュートが導体のグループに外側の円形を与えるために敷かれ、グループの外側に絶縁層、次にすべての上に鉛シースが置かれる。このケーブルの外径はほぼ3インチで、直線フィートあたり9ポンドの重量である。
ナイアガラの滝からの11,000ボルト三相電流は、ターミナルハウスからバッファローの7つの変電所に約30マイルのゴム絶縁と18マイルの紙絶縁、三導体、鉛被覆ケーブルを通じて配電され、すべてタイルコンジットにある。各ケーブルで3つのNo. 000撚り線導体は別々に絶縁され、次にジュートヤーンで敷かれて丸い表面を与え、テープがそれらを一緒に保つために使用され、次にすべての上に鉛シースが置かれる。一部のゴム絶縁ケーブルは各導体に9/32インチの30パーセント純粋ゴム化合物を持ち、残りのゴムケーブルは各導体に8/32インチの40パーセント純粋ゴム化合物を持つ。紙絶縁ケーブルは各導体に13/64インチの紙を持ち、グループの3つの導体について次の13/64インチの紙が鉛シースの近くに置かれる。外径でゴム絶縁ケーブルは2-3/8インチ、紙絶縁ケーブルは2-5/8インチで、各場合の鉛シースの径方向厚さは1/8インチである。30パーセント純粋ゴムであると言われる混合物の9/32インチで絶縁されたケーブルが40パーセント純粋ゴムであると言われる混合物の8/32インチで絶縁されたケーブルより信頼性が高いことが報告された。Vol. xviii., A. I. E. E., 136, 836。
セントポールでの三相、25,000ボルト電流を運ぶ地下ケーブルの6マイルは三導体タイプで、鉛被覆で、タイルコンジットに敷設された。2つの3マイルケーブルの1つはゴム絶縁で、もう1つは紙絶縁である。前者のケーブルでは各導体は約35パーセントの純粋ゴムを含む化合物で別々に絶縁され、径方向厚さは7/32インチである。絶縁された3つの導体は丸い表面を与えるためにジュートで敷かれ、テープがそれらを一緒に保ち、次に5/32インチ厚のゴムカバーがグループについて置かれ、次にすべての上に鉛シースが来る。3マイルの紙絶縁ケーブルでは各導体に9/32インチの紙があり、ジュートで3つの導体が一緒に敷かれテープされ、次にグループの上に4/32インチ厚の紙の層が置かれる。すべての外側に鉛シースが来て、外側の錫コーティングがある。これらのケーブルの鉛シースは1/8インチ厚で、前者のシースは3パーセントの錫を含む。各ケーブルでの3つの導体の各々は7つの銅撚り線で構成され、66,000円形ミルの面積を持つ。鉛シースの外側でこれらのケーブルの各々は約2-1/4インチの直径を持つ。製造者の契約によりこれらのケーブルは出荷前に40,000ボルトまでテストされ、購入から5年以内にコンジットで30,000ボルトまでテストされるかもしれない。ゴム絶縁のケーブルは紙が使用されたケーブルより約50パーセント高価であると言われた。Vol. xvii., A. I. E. E., 650。
オーストリアとドイツで広く使用される地下ケーブルでは、別々の導体が絶縁化合物で処理された綿ブレイドで覆われ、次にケーブルを構成する導体のグループが鉛シースで囲まれる。10,000～12,000ボルトで動作するケーブルでは各導体の綿絶縁の径方向厚さは3/16インチ以内であり、これらのケーブルはケーブルの端以外をすべて水に置き、次に水を25,000ボルト回路の一端に接続し、他端をケーブルの導体に接続して25,000ボルトまでテストされる。
セントポールの紙絶縁ケーブルでのテストは、3マイルの長さで25,000ボルトで充電電流が1.1アンペアであることを示した。ゴム絶縁のケーブルでは長さ1マイルあたりの充電電流が紙絶縁ケーブルでの同電流の約2倍だった。これらのテストは1秒あたり60サイクルの三相電流で行われた。
オーバーヘッド送電線が地下または水中ケーブルに結合する場合、変圧器の有無にかかわらず、オーバーヘッドワイヤに到達したこのような放電を遮断するために避雷器を提供するべきである。バッファローのターミナルハウスでは22,000ボルトオーバーヘッドラインが変圧器を通じて11,000ボルトケーブルを供給し、セントポールのターミナルハウスでは25,000ボルトオーバーヘッドラインが地下ケーブルに電気的に接続され避雷器が提供された。地下または水中ケーブルがオーバーヘッドラインの2つの部分を接続する場合、上で言及したポーツマスとドーバー送電のように、そのケースでされたようにケーブルの各端に避雷器を提供するべきである。地下または水中ケーブルでの高い電圧ではなく低い電圧の1つの利点は、ケーブルでの故障で流れるアンペアが送電の電圧ではなくそこで破壊効果を決定するという事実にある。バッファローの11,000ボルトケーブルの1つでの故障または短絡は通常シースで少しの鉛を溶かすだけでケーブルまたはそのダクトを傷つけるのに十分な爆発力を持たないと報告された。
オゾンはゴムの絶縁特性を非常に急速に破壊するようであり、高電圧での導体からのサイレント電気放電がオゾンを発展させることはよく知られているため、ゴム絶縁をその動作から保護する注意を取るべきである。これはケーブル端でのスイッチまたは他の装置との接続が作られ、ゴム絶縁が露出される場所で特に真実である。このような点でのゴムを保護するために、端近くの鉛シースに真鍮ケーブルヘッドまたはターミナルベルをはんだ付けし、このヘッドはシースの直径の約2倍の直径を持ち、次にこのヘッド内のケーブル導体についてのスペースを絶縁化合物で満たす慣行である。このようなヘッドはバッファローの11,000ボルトケーブルとポーツマスとドーバー送電の13,500ボルトケーブルで使用された。
絶縁材料、ゴム、綿、または紙は熱により損なわれまたは破壊されるかもしれないため、フルロード下での地下ケーブルの温度を安全限界内に保つ必要がある。ゴム絶縁はおそらく125°または150°華氏まで傷つかずに上げられ、紙と綿は少し高くなるかもしれない。与えられたサイズと鉛ケーブルの製造で、与えられたケーブルフィートあたりのワット損失での周囲の空気の上への導体の温度上昇は計算または実験で決定できる。次のステップは、与えられたワット損失1フィートあたりのケーブルで、コンジットが敷設された土の温度の上へのコンジット内の空気の温度上昇を調べることである。この点に関する実験データはほとんどない。明らかに、ダクトが作られる材料、一緒にグループ化されたダクトの数、同時運用されるケーブル、ダクトがどれだけ換気されるかはこの問題に重要な影響を持つ。ナイアガラの滝では、約140フィート離れた2つのマンホールの間の36ダクトコンジットのセクションでの空気温度の上昇を示すテストが行われた。このテストの目的で、コンジットの36ダクトの24に1つのNo. 6引き込みワイヤが各々に通された。これらの24ワイヤは各8ワイヤの3グループに接続され、1グループは周囲の土に隣接したダクトすべて、もう1グループは半分が土に隣接したダクトで他半分が少なくとも1つのダクトで土から分離されたダクト、3番目のワイヤグループは完全に少なくとも1つのダクトで土から分離されたダクトだった。これらのワイヤを通じて十分な電流が送られ、それらが位置するダクトフィートあたり5.5ワットの損失を表すと、土に隣接したダクト内の空気の温度上昇は土の上108°華氏だった。土から少なくとも1つの他のダクトで分離されたダクトでは含まれる空気の温度上昇は土の上144°華氏だった。ダクト周囲の土が暑い天候で70°に達した場合、内部ダクト内の空気の温度はダクトフィートあたり5.5ワットの損失で214°になる。この温度はゴム、綿、または紙絶縁に高すぎ、運用中のケーブルでの導体と絶縁の温度がそのダクト内の周囲空気のそれを超える量を言うまでもない。これらのダクトに実際に設置されたケーブルは2.34ワットの損失1フィートのために設計された。テストで使用されたNo. 6ワイヤはケーブルがするように各ダクトをほぼ満たさなかったため、テスト中に行われた換気の量を知るのは非常に興味深い。残念ながら、この点は報告されなかった。Vol. xviii., A. I. E. E., 508。
第XV章。
線路導体の材料。
銅、アルミニウム、鉄、およびブロンズはすべて長距離電気送電の導体として使用されるが、銅はこの目的のための標準金属である。送電線のための理想的な導体は、最高の電気伝導性、大きな引張強度、高い融点、低い膨張係数、硬度、および大きな酸化耐性を組み合わせるべきである。挙げられた金属のいずれもこれらの特性を最高度に持たず、問題は各ケースに最も適した材料を選択することである。アルミニウムは天候への露出で非常に少ししか苦しまないが、銅とブロンズは少し多く苦しみ、鉄と鋼線は錆により深刻に攻撃される。
鉄、銅、およびブロンズはすべて硬く、これらの金属のワイヤが絶縁体への取り付け点で切れたり摩耗したりするトラブルはほとんど発生していない。一方、アルミニウムは柔らかく、ワイヤの揺れが時間とともに支持部での材料摩耗を引き起こすかもしれないし、タイワイヤで切られるかもしれない。しかし、アルミニウムワイヤのラインは硬度の欠如から予想されるトラブルを決定するのに十分長く使用されていない。
送電ワイヤでは小さな膨張係数が望ましく、ワイヤ自身とその支持物への歪みが各スパンの垂直偏向量で急速に変化し、偏向が減少するにつれて大きくなるためである。銅の膨張を1として、アルミニウムのそれは1.4；ブロンズの1.1；鉄と鋼の0.7である。これらの数字から、鉄と鋼ワイヤが支持間でのたるみの量の最小変動を示し、アルミニウムワイヤが最大を示すことがわかる。
鍛鉄は約2,800°、鋼は2,700°、銅は1,929°、ブロンズは銅と同じくらいの点で、アルミニウムは1,157°華氏で溶融する。このアルミニウムの低い融点は、異物ワイヤがそれに落ちる場所でその材料のラインを開くことでトラブルの源になるかもしれない。これは報告によると、30,000ボルト送電線上の変電所で示され、スイッチボードで破壊的なアークが開始された。アークを他の方法で消せないため、ラインマンが変電所のすぐ外側のアルミニウムラインに鉄ワイヤを投げ、これらのラインはすぐに鉄ワイヤにより溶融され、回路を開いた。このケースではトラブルがそれほど絶望的な救済を正当化したかもしれないが、一般的に短絡を取り除くために送電線を切るのは利益にならない。
陸上の通常の送電線の建設ではワイヤの引張強度は使用される導体の強度に応じて支持物を間隔できるため、電気伝導性に二次的な重要性である。水域の大きな体を横断する必要がある場合、引張強度は主な要件である。したがって、カリフォルニアのコルゲートからオークランドへの142マイルラインは、直径7/8インチで長さ4,427フィートの鋼ケーブルでカルキネス海峡を横断する。この長いスパンに鋼ワイヤが選ばれたのは、おそらく他の金属のそれより大きな引張強度を与えられるためである。焼きなまし鉄ワイヤは平方インチあたり50,000～60,000ポンドの引張強度を持つ。鋼ワイヤは50,000から350,000ポンド以上まで変化するが、平方インチあたり80,000～100,000ポンドの強度の軟鋼ワイヤは容易に得られる。
軟銅は平方インチあたり32,000～36,000ポンドの引張強度を示し、硬引き銅は硬度の度合いに応じて45,000～70,000ポンドである。シリコンブロンズワイヤは平方インチあたり60,000未満から100,000以上まで変化し、フォスファーブロンズは約100,000ポンドである。ブロンズワイヤはほとんどの合金のワイヤのように鉄または銅のそれよりはるかに広い強度の範囲を示す。
シリコンブロンズワイヤでは電気伝導性が引張強度が増加するにつれて減少する。アルミニウムワイヤの引張強度は送電線で使用される他のものより低く、平方インチあたり約30,000ポンドである。大きなサイズの固体アルミニウムワイヤは公称強度以内の歪みで破断するトラブルを与え、おそらく不完全またはねじれのためである。このトラブルは現在アルミニウムケーブルの使用で一般的に避けられる。
通常の送電線建設ではワイヤの引張強度は使用される導体の強度に応じて支持物を間隔できるため、電気伝導性に二次的な重要性である。大きな水域を横断する必要がある場合、引張強度は主な要件である。したがって、カリフォルニアのコルゲートからオークランドへの142マイルラインは、直径7/8インチで長さ4,427フィートの鋼ケーブルでカルキネス海峡を横断する。この長いスパンに鋼ワイヤが選ばれたのは、おそらく他の金属のそれより大きな引張強度を与えられるためである。焼きなまし鉄ワイヤは平方インチあたり50,000～60,000ポンドの引張強度を持つ。鋼ワイヤは50,000から350,000ポンド以上まで変化するが、平方インチあたり80,000～100,000ポンドの強度の軟鋼ワイヤは容易に得られる。
軟銅は平方インチあたり32,000～36,000ポンドの引張強度を示し、硬引き銅は硬度の度合いに応じて45,000～70,000ポンドである。シリコンブロンズワイヤは平方インチあたり60,000未満から100,000以上まで変化し、フォスファーブロンズは約100,000ポンドである。ブロンズワイヤはほとんどの合金のワイヤのように鉄または銅のそれよりはるかに広い強度の範囲を示す。
シリコンブロンズワイヤでは電気伝導性が引張強度が増加するにつれて減少する。アルミニウムワイヤの引張強度は送電線で使用される他のものより低く、平方インチあたり約30,000ポンドである。大きなサイズの固体アルミニウムワイヤは公称強度以内の歪みで破断するトラブルを与え、おそらく不完全またはねじれのためである。このトラブルは現在アルミニウムケーブルの使用で一般的に避けられる。
送電線で最も必要な特性である伝導性では、銅は銀を除く他のすべての金属を上回る。軟銅ワイヤの伝導性を100として、硬引き銅のそれは98；シリコンブロンズのそれは46～98；アルミニウムの60；フォスファーブロンズの26；焼きなまし鉄ワイヤの14；平方インチあたり100,000ポンドの強度の鋼の11である。通常製造された軟銅と硬銅の両方は標準から1パーセントを超えない変動をし、アルミニウムと焼きなまし鉄ワイヤも抵抗として高い均一性を示す。一方、シリコンブロンズと鋼ワイヤは電気伝導性で大きく変動する。特定の送電線では抵抗は導体として使用される金属とは別の考慮で通常決定され、したがって与えられた抵抗または伝導性のラインはワイヤのサイズ、重量、強度、およびコストの要件に最も適合する材料で構築される。
与えられた長さと抵抗で使用できる最小の線路ワイヤは純粋な軟銅の1つである。次に断面積で硬引き銅と一部のシリコンブロンズが来、どちらも等しい抵抗のための軟銅より2パーセント大きいだけ必要である。より大きな平方インチあたり引張強度の一部他のシリコンブロンズワイヤは軟銅の2.17倍の断面積を必要とする。
銅の伝導性の60パーセントを持つアルミニウムワイヤは等しい抵抗のワイヤのためにその断面の1.66倍を必要とする。フォスファーブロンズは銅の26パーセントしか持たないため、長さと抵抗が等しい場合ブロンズの断面は銅ワイヤの3.84倍でなければならない。焼きなまし鉄ワイヤは同じ長さの銅ワイヤに等しい抵抗の場合鉄が銅の断面の7.14倍を持つときに等しい。銅の伝導性の11パーセントを持つ鋼は同じ長さのワイヤが等しい抵抗を持つために銅断面の9.09倍を持つ必要がある。
送電線ではNo. 4 B. & S.ゲージより小さい銅ワイヤを使用するのは望ましくない。小さいサイズの引張強度の欠如のためである。与えられた伝導性の銅ワイヤがNo. 4より小さい場合、鉄ワイヤは銅のそれよりはるかに大きな強度で必要な伝導性を与える。他の金属の与えられた長さと抵抗のラインの重量は2つのラインの相対断面の数字と問題の金属の単位質量の重量と銅のそれの積で表される。
したがって、同じ伝導性で鉄ワイヤの特定の長さの重量は0.87 × 7.14 = 6.21倍の銅ワイヤの重量である。上で挙げた鋼ワイヤでは重量は0.89 × 9.09 = 8.09倍の銅ラインの等しい伝導性のそれである。フォスファーブロンズは与えられた長さと抵抗のラインで軟銅の3.84倍の重量を持つ。シリコンブロンズは送電線で軟銅の1.02～2.17倍の重量でなければならない。与えられた長さと伝導性のラインでアルミニウムは1.66 × 0.3 = 0.5倍の銅の重量である。与えられた長さと抵抗のラインで硬引き銅は軟銅の約2パーセント多い重量である。
軟銅の引張強度を平方インチあたり34,000ポンド、硬引き銅を45,000～70,000、シリコンブロンズを60,000～100,000、フォスファーブロンズを100,000、鉄を55,000、鋼を100,000、アルミニウムを30,000ポンドとして、等しい断面積のワイヤの相対強度を軟銅と比較すると、硬引き銅では1.32～2.06；シリコンブロンズでは1.76～2.94；フォスファーブロンズでは2.94；鉄では1.62；鋼では2.94；アルミニウムでは0.88である。
等しい長さと抵抗のワイヤを比較して軟銅を再び標準として、各々は次の通りである：硬引き銅ラインは1.02 × 1.32 = 1.34～1.02 × 2.06 = 2.10倍の軟銅ラインの強度を持つ。シリコンブロンズではラインワイヤの強度は1.02 × 1.76 = 1.79と2.17 × 2.94 = 6.38倍の銅の間である。鉄は軟銅に対するラインの強度を7.14 × 1.62 = 11.56で与える。平方インチあたり100,000ポンドの引張強度の鋼はラインを軟銅で構成された場合の26.70倍強くする。アルミニウムではラインの強度は1.66 × 0.88 = 1.46倍の銅である。フォスファーブロンズの数字は3.84 × 2.94 = 11.29である。
上記から、与えられた長さと抵抗のラインを形成するために他の金属のそれぞれに軟銅のポンドあたりの価格の何倍を支払えるかを示すことができる。これらの金属のポンドあたりの価格は軟銅のそれに対するものであり、次の通りである：軟銅の価格を1として、硬引き銅のそれは1 ÷ 1.02 = 0.98である。シリコンブロンズでは価格は軟銅ワイヤの1 ÷ 1.02 = 0.98、または1 ÷ 2.17 = 0.46と同じくらい低い。フォスファーブロンズは銅の1 ÷ 3.84 = 0.26の価格を持つかもしれない。鉄ワイヤの価格は銅の1 ÷ 6.21 = 0.16でなければならず、述べられた品質の鋼ワイヤでは価格は1 ÷ 8.09 = 0.12だけである。アルミニウムワイヤだけが同じ総コストで軟銅より高いポンドあたりの価格を持つことができ、この金属の相対コストの数字は1 ÷ 0.5 = 2である。
上記から、与えられたコスト、長さ、および抵抗のラインでは軟銅が最小の断面と引張強度を持ち；鋼が最大の断面、重量、引張強度、および最低の許容ポンドあたりの価格を持ち；アルミニウムが最小の重量と最高のポンドあたりの価格であることがわかる。
鉄と鋼ワイヤの両方の相対断面と重量が非常に大きいため、それらの一般使用を防ぎ、設置の労力とコストのためである。
ワイヤだけの初期コストに関して鉄は一部の金属市場で銅に約等しいかもしれない。しかし、鉄ワイヤの唯一の実用的場所は銅が小さすぎるか強くない場所である。鋼ワイヤはその高い抵抗にもかかわらず、非常に高い引張強度を必要とする数千フィートの単一スパンが必要な例外的なケースで場所を見つける。そのような場合では、過度のサイズとスパンの重量を避けるために鋼スパンをラインの主部分の等長より大きな抵抗を与えるのが通常良い。こうしても鋼スパンの抵抗は長距離送電線のそれと比較して非常に小さい。
フォスファーブロンズは比較的高い電気抵抗のため送電システムでの導体としてほとんど使用されない。大きな引張強度が望まれる場合、鉄または鋼はフォスファーブロンズのコストの分数でそれを提供する。導体として単にフォスファーブロンズは軟銅の0.26だけ価値があるが、その実際の市場価格は銅より大きい。
高い抵抗のシリコンブロンズは等しい伝導性のために銅の断面と重量の2.17倍を必要とし、送電線材料としてほとんどまたは全く考慮されない。この合金は銅と等しい伝導性を与えるために銅の価格の0.46だけ売らなければならない。しかし、シリコンブロンズの価格は銅と同じかそれ以上なので、与えられた抵抗のラインのための高抵抗シリコンブロンズのコストは銅の2倍以上になる。この2倍以上のコストでブロンズは軟銅ラインの6.38倍の引張強度を与える。
鉄の市場価格を銅の1/5として、これは鋼に十分に高い規則として、銅と等しい伝導性の鋼ワイヤは1.6倍しかコストが高くなく、銅の26.7倍の引張強度、または等しい伝導性のワイヤの高抵抗シリコンブロンズの4倍の引張強度を持つ。これから鋼がシリコンブロンズの高抵抗より伝導性と強度の安い組み合わせを提供することが明らかである。最も低い抵抗を持つ等級のシリコンブロンズは軟銅の価格の0.98と同じくらいのコストを持ち、等しい伝導性の銅の1.79倍の強度を持つ。このブロンズは実際にはポンドあたり銅よりコストが高いため、同じコストで等しい伝導性を与えられない。
最も硬い銅ワイヤは非常に硬く、ねじれたり曲げられたりした場合に中程度の硬さのワイヤより割れやすい。そのような中程度硬引き銅は等しい伝導性の軟銅より34パーセント大きな引張強度を持ち、長距離送電線で多く使用される。電気送電線で銅の唯一の重要な競争相手はアルミニウムであり、等しい伝導性のラインで軟銅より小さな重量、より大きな引張強度、および同じ総コストのための高い許容価格を組み合わせる。
等しい長さと抵抗のワイヤではアルミニウムは銅の断面の1.66倍を持つため軟銅より強い。等しい長さと抵抗のアルミニウムは中程度硬銅の1つより強いが、アルミニウムワイヤのポンドあたりの価格が銅のそれの2倍未満の場合、銅のいずれの等級よりコストが低い。これは通常の場合である。
これらの特性はアルミニウムを電気送電での銅の最も重要な競争相手にし、多くのケースでの使用につながり、特に世界の2つの最長ライン、つまりカリフォルニアのコルゲートとオークランド間およびエレクトラとサンフランシスコ間である。
アルミニウムは新しい送電に限定されず、最初銅導体が使用されたものへの追加でも見られる。したがって、ナイアガラの滝の発電所とバッファロー間の3番目の送電回路は新しいポールラインで20マイルの距離で各々が500,000円形ミルの面積の3つのアルミニウムケーブルで形成されたが、2つの以前の回路の6つの導体の各々は350,000円形ミルの銅だった。
アルミニウム導体を使用する送電システムのこの表は網羅的からほど遠い。アルミニウムはまた長い電気鉄道の変電所へのエネルギーの配電でも使用され、オーロラとシカゴで約40マイル離れた都市を接続する。アルミニウム導体の低いコストはまた都市での光と電力の配電で銅の代わりの採用につながっている。したがって、ニューハンプシャー州マンチェスターでは、地元電気ラインは耐候絶縁付きの500,000と750,000円形ミルのアルミニウムケーブル各約4マイルを含む。これらのケーブルの大きいものは約No. 7ワイヤの37本の撚り線を含む。
わかるように、送電線のための銅またはアルミニウムの選択は各金属での必要な長さと抵抗の導体のコストに主に依存するべきである。2つの金属の機械的および電気的特性がほぼ均衡しているため、銅を使用する特権のために非常に小さなプレミアムしか支払われるべきではない。すでに指摘したように、等しい長さと抵抗のアルミニウムと銅導体のコストはアルミニウムワイヤのポンドあたりの価格が銅の2倍の場合に等しい。何年かのほとんどの時間でアルミニウムの価格は銅の数字の2倍以下であり、利点はアルミニウム導体にあった。2つの金属がポンドあたりの同じ価格の場合、アルミニウムは等しい銅導体の半分しかコストがかからない。アルミニウムの価格が銅の50パーセント大きい場合、前者の金属の使用は25パーセントの節約を達成する。1901年初めに完成した新しいナイアガラとバッファローラインでは、銅のコストより約12パーセントの節約を達成したためアルミニウムが選ばれた。ここで言及されたアルミニウムラインのすべてはハートフォード近くの短いものを除いて1900年以降または中に完成された。ここで述べられたナイアガラの滝とバッファロー間のラインに関する事実のほとんどはvol. xviii., A. I. E. E., 520と521ページから引き出された。
等しい長さと抵抗のアルミニウムに対する銅導体の大きな直径は非常に高い電圧での交流送電で利点を持つ。高い電圧、例えば40,000またはそれ以上では、同じ回路の1つの導体からもう1つへの空気を通ったエネルギーの定常的なサイレント損失は量で大きくなり、さらには禁止的になる。この損失は他の要因が一定の場合、ラインの導体の直径が小さいほど大きい。これによりこの損失は送電される電力が小さいほど深刻になり、線路ワイヤの直径が小さいためである。ワイヤからワイヤへのエネルギーのサイレント通過はラインの長さで直接増加し、長距離送電の限界として動作する。
アメリカのいくつかの送電線でのワイヤのサイズと材料。
+—————————-+—-+——+———-+——–+——-+
| | | | | |長さ |
| | |ワイヤ| 各ワイヤ|ワイヤの| 送電 |
| 送電の場所。 |ライン|数。 |サイズ |金属。 |マイル。|
| |電圧| | B. & S. | | |
| | | | ゲージ。 | | |
+—————————-+——+-+———-+——–+——-+
|カニオン・フェリーからビュート|50,000|6| 0 | 銅 | 65 |
|コルゲートからオークランド |40,000|3| 00 | 銅 |142 |
| | |3| 000 |アルミニウム|142|
|エレクトラからサンフランシスコ|40,000|3|471,034 C. M.| „ |147 |
|サンタアナ川からロサンゼルス|33,000|6| 1 | 銅 | 83 |
|アップル川からセントポール|25,000|6| 2 | „ | 25 |
|ウェランド運河からハミルトン|22,500|3| 1 | „ | 35 |
| | |3| 00 | „ | 37 |
|カニオンシティからクリップルクリーク|20,000|3| 3 | „ | 23-1/2|
|マドリードからブランド |20,000|6| 4 | „ | 32 |
|ホワイト川からデールズ |22,000|3| 6 | „ | 27 |
|オグデンからソルトレイクシティ|16,000|6| 1 | „ | 36-1/2|
|サンガブリエルキャニオンからロサンゼルス|16,000|6| 5 | „ | 23 |
|コロラド州ビクターへ |12,600|3| 4 | „ | 8 |
|ナイアガラの滝からバッファロー|22,000|6|350,000 C. M.| „ | 23 |
| „ „ „ |22,000|3|500,000 C. M.|アルミニウム| 20|
|ヤドキン川からセーラム |12,000|3| 1 | 銅 | 14.5 |
|ファーミントン川からハートフォード|10,000|3|336,420 C. M.|アルミニウム| 11|
|ウィルブラハムからラドローミルズ|11,500|6|135,247 C. M.| „ | 4.5 |
|ナイアガラの滝からトロント |60,000|6|190,000 C. M.| 銅 | 75 |
+—————————-+——+-+———-+——–+——-+
アルミニウムラインは新しい送電に限定されず、最初銅導体が使用されたものへの追加でも見られる。したがって、ナイアガラの滝の発電所とバッファロー間の3番目の送電回路は新しいポールラインで20マイルの距離で各々が500,000円形ミルの面積の3つのアルミニウムケーブルで形成されたが、2つの以前の回路の6つの導体の各々は350,000円形ミルの銅だった。
北アメリカでの最長の3つの電気送電は現在アルミニウムラインを使用している。単一の最長ライン、エレクトラ発電所からサンフランシスコへの147マイルの距離でアルミニウムが使用される導体である。コルゲートとオークランド間の142マイル送電は3つのアルミニウムと3つの銅線ワイヤで実施される。長さの点で3番目の送電、シャウィニガン滝からモントリオールへの85マイルで3つのアルミニウム導体が使用される。
上で挙げた3つの送電は超常の長さだけでなく異常な大きな容量を持ち、エレクトラ発電所の発電機は10,000、コルゲート発電所は11,250、シャウィニガン発電所は7,500キロワット定格である。そのようなラインの重量とコストは非常に大きい。コルゲートとオークランド間の各々が144マイル長の3つのNo. 0000アルミニウム導体では総重量は約440,067ポンドで、ポンドあたり30セントで132,020ドルである。エレクトラからミッションサンホセへの100マイルはエレクトラからサンフランシスコへの147マイル送電の一部である。エレクトラとミッションサンホセセクションではアルミニウム導体は各々が断面積471,034円形ミルの3つの撚り線ケーブルを含み、総重量約721,200ポンドである。このセクションだけはこのラインの問題でポンドあたり30セントで216,360ドルである。シャウィニガン滝からモントリオールへの85マイルアルミニウムラインは各々が183,708円形ミルの面積の3つの撚り線導体で構成される。すべての3つの導体は総重量約225,300ポンドで、ポンドあたり30セントで67,590ドルである。
アルミニウムラインは新しい送電に限定されず、最初銅導体が使用されたものへの追加でも見られる。したがって、ナイアガラの滝の発電所とバッファロー間の3番目の送電回路は新しいポールラインで20マイルの距離で各々が500,000円形ミルの面積の3つのアルミニウムケーブルで形成されたが、2つの以前の回路の6つの導体の各々は350,000円形ミルの銅だった。
これらの例から、銅が以前の場所を失ったことがわかる。銅の主張を争っただけでなく、長距離送電線で最も顕著な場所を実際に獲得した。このアルミニウムの勝利は厳しい競争で勝ち取られた。決定的な要因は各金属での必要な長さと抵抗のラインのコストだった。
断面積の観点からアルミニウムは電気導体として銅に劣る。等しいサイズと長さのワイヤを比較して、アルミニウムは銅の伝導性の60パーセントしか持たないため、アルミニウムワイヤは同じ長さの銅ワイヤの等しい電気抵抗を提供するために断面の1.66倍を持つ必要がある。丸いワイヤは直径の平方で断面積が変わるため、アルミニウムワイヤは同じ伝導性を提供するために同じ長さの銅ワイヤの直径の1.28倍を持つ必要がある。
断面積の用語での電気導体としてのアルミニウムの劣等性は重量の用語での銅に対する優位性で相殺される以上である。アルミニウムの1ポンドを任意の長さのワイヤに引き延ばすと、同じ重量の銅の等しい長さのワイヤの断面積の3.33倍を持つ。これは銅の重量が立方フィートあたり555ポンドである一方アルミニウムは167ポンドだけであるため、同じ重量で後者の体積は前者の3.33倍である。アルミニウムワイヤは同じ重量で同じ長さを持ち銅ワイヤの3.33倍の断面積を持つため、前者の電気伝導性は後者の3.33 ÷ 1.66 = 2倍である。したがって、等しい抵抗でアルミニウムのワイヤは同じ長さの銅ワイヤの重量の半分だけである。この事実から、アルミニウムワイヤのポンドあたりの価格が銅の2倍未満の場合、前者が任意の必要な長さと電気抵抗の送電線のための安い金属であることが明らかである。
軟銅とアルミニウムワイヤの両方の引張強度は断面の平方インチあたり約33,000ポンドである。等しい長さと抵抗のワイヤではアルミニウムは等しい伝導性の軟銅ワイヤの面積が66パーセント大きいため66パーセント強い。このアルミニウムラインは銅の等しいものより強いが、前者の重量は後者の半分だけなので、ポール間の距離を増加させたり、ポール、クロスアーム、ピンのサイズをアルミニウムワイヤで減少させたりできる。このような点の例はナイアガラの滝とバッファロー間の古いと新しい送電線で見られる。2つの古い銅回路は1つのポールラインでの各々が350,000円形ミル断面の6つのケーブルで構成され、中程度のたるみで張られる。強い風でこれらの銅導体は揺れと振動し、そのポール、ピン、クロスアームがすべての取り付けを緩める傾向の振動に投げ込まれる。新しい回路はポール間で大きなたるみで張られた別々のポールラインでの3つの500,000円形ミルアルミニウム導体で構成され、これらの導体は強い風で垂直から大きな角度の平面に位置を取るが、その支持物の振動を引き起こさない。このケースのアルミニウムのたるみの銅導体のそれより大きい1つの理由は、前者を運ぶポールが140フィート離れている一方後者のポール間の距離は直線セクションで70フィートだけであるという事実である。
ポールのスパン長が等しい場合でもアルミニウムに銅より大きなたるみを必要とするのは、前者の金属が持つ大きな膨張係数から生じる。華氏32°～212°間でアルミニウムは長さの約0.0022を膨張し、銅は0.0016なので、長さの変化は前者で後者より40パーセント大きい。いずれの場合でも導体は最も寒い天候での収縮を提供するのに十分なたるみをポール間に持つ必要があり、アルミニウムワイヤの必要なたるみは通常温度での銅より大きいことがわかる。
純粋な空気ではアルミニウムは銅より酸化からさらに自由であるが、化学工場の煙、塩素化合物、または脂肪酸にさらされる場合金属は急速に攻撃される。この理由でアルミニウム導体はこれらの化学物質のいずれかにさらされる場所で防水被覆を持つべきである。ナイアガラの滝とバッファロー間のアルミニウムラインはその長さの大部分で裸であるが、前者の場所の大きな化学工場近くではワイヤはアスファルトムで処理されたブレイドで覆われる。アルミニウムはその最も一般的な不純物であるナトリウムと合金化されると湿った空気で急速に腐食され、注意深く避けるべきである。ここで言及されたアルミニウムのすべての特性は他に述べない限り純粋な金属に関連し、その合金は規則として送電線で考慮されないべきではない。アルミニウムがほとんどの他の金属に対して正電位であるため、そのジョイントのはんだ付けは裸ワイヤで達成するのが難しい結果の湿気からジョイントが徹底的に保護されない限り電解腐食を引き起こすのは確実である。通常の慣行ははんだの使用を避け機械的ジョイントに頼ることである。良いジョイントは接続されるワイヤの粗くした端を楕円断面のアルミニウムチューブを通って滑らせ、各端で1つのワイヤが出て、次にチューブとワイヤをねじり、各後者を他についてターン与えることで作られる。アルミニウムは電気的に溶接され、特定の温度でハンマリングでもできるが、これらのプロセスはライン建設に便利ではない。絶縁体に結ばれるときにアルミニウムワイヤに傷つけたり切ったりするのを避けるための特別な注意が必要である。アルミニウムタイワイヤを独占的に使用するべきである。固体ワイヤへのより大きな損傷の危険を避け、より大きな強度と柔軟性を取得するため、アルミニウム導体はケーブル形態で最も頻繁に使用される。これらのケーブルを構成するワイヤのサイズは広く異なるケーブル断面でNo. 6～9 B. & S.ゲージの範囲である。したがって、シャウィニガン滝とモントリオール間の183,708円形ミルのアルミニウムケーブルは7つのNo. 6ワイヤで構成され、エレクトラとミッションサンホセ間の471,034円形ミルのケーブルは37のNo. 9ワイヤを含む。ファーミントン川からハートフォードへの各336,420円形ミルのケーブルは例外的に大きな約No. 3ワイヤの撚り線を持つ。カリフォルニアの43マイルラインの記述から（vol. xvii., A. I. E. E., p. 345）、直径294ミルの固体アルミニウムワイヤ、またはNo. 1 B. & S.ゲージを破断のトラブルなしで使用できることがわかる。このワイヤはテストされ、その特性は次のように報告された：
直径、293.9ミル。マイルあたりポンド、419.4。25°Cでのミルフィートあたり抵抗、17.6オーム。25°Cでのマイルあたり抵抗、1.00773オーム。同サイズの銅に対する伝導性、59.9パーセント。破断のための6インチでのねじれ数、17.9。平方インチあたり引張強度、32,898ポンド。
このワイヤはまた自身の直径について6回巻き、次に巻き戻して再び巻くテストに耐えた。引張強度のテストで問題のワイヤは非常に小さな負荷で永久セットを取ったが、平方インチあたり14,000～17,000ポンドの点で永久セットが非常に急速に増加し始めた。これからアルミニウムワイヤとケーブルは最も寒い天候でそれらへの歪みが平方インチあたり約15,000ポンドを超えないようにポール間に十分なたるみを与えるべきである。このかなり低い安全作業負荷はアルミニウムが銅と共有する欠点である。与えられた数字からいずれの場合でもその断面積が減少しないように設置中のアルミニウム導体への歪みが最終強度の半分を超えないことが明らかである。
送電システムでのアルミニウムケーブル。
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| | | | | | 撚り線の |
| |ケーブル|各々の|各々の |ケーブル|サイズ。 |
| 場所。 | の数。|マイル|円形ミル|あたりの|B. & S. G. |
| | | | |撚り線数| 約。 |
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|ナイアガラの滝からバッファロー| 3 | 20 | 500,000| .. | .. |
|シャウィニガン滝からモントリオール| 3 | 85 | 183,708| 7 | 6 |
|エレクトラからミッションサンホセ| 3 |100 | 471,034| 37 | 9 |
|コルゲートからオークランド | 3 |144 | 211,000| 7 | 5-6 |
|ファーミントン川からハートフォード| 3 | 11 | 336,420| 7 | 3 |
|メイン州ルイストン | 3 | 3.5| 144,688| 7 | 8 |
|マサチューセッツ州ラドロー | 6 | 4.5| 135,247| 7 | 7 |
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この送電システムのアルミニウム導体を使用する表は網羅的からほど遠い。アルミニウムはまた長い電気鉄道の変電所へのエネルギーの配電でも使用され、オーロラとシカゴで約40マイル離れた都市を接続する。アルミニウム導体の低いコストはまた都市での光と電力の配電で銅の代わりの採用につながっている。したがって、ニューハンプシャー州マンチェスターでは、地元電気ラインは耐候絶縁付きの500,000と750,000円形ミルのアルミニウムケーブル各約4マイルを含む。これらのケーブルの大きいものは約No. 7ワイヤの37本の撚り線を含む。
わかるように、送電線のための銅またはアルミニウムの選択は各金属での必要な長さと抵抗の導体のコストに主に依存するべきである。2つの金属の機械的および電気的特性がほぼ均衡しているため、銅を使用する特権のために非常に小さなプレミアムしか支払われるべきではない。すでに指摘したように、等しい長さと抵抗のアルミニウムと銅導体のコストはアルミニウムワイヤのポンドあたりの価格が銅の2倍の場合に等しい。何年かのほとんどの時間でアルミニウムの価格は銅の数字の2倍以下であり、利点はアルミニウム導体にあった。2つの金属がポンドあたりの同じ価格の場合、アルミニウムは等しい銅導体の半分しかコストがかからない。アルミニウムの価格が銅の50パーセント大きい場合、前者の金属の使用は25パーセントの節約を達成する。1901年初めに完成した新しいナイアガラとバッファローラインでは、銅のコストより約12パーセントの節約を達成したためアルミニウムが選ばれた。ここで言及されたアルミニウムラインのすべてはハートフォード近くの短いものを除いて1900年以降または中に完成された。ここで述べられたナイアガラの滝とバッファロー間のラインに関する事実のほとんどはvol. xviii., A. I. E. E., 520と521ページから引き出された。
等しい長さと抵抗のアルミニウムに対する銅導体の大きな直径は非常に高い電圧での交流送電で利点を持つ。高い電圧、例えば40,000またはそれ以上では、同じ回路の1つの導体からもう1つへの空気を通ったエネルギーの定常的なサイレント損失は量で大きくなり、さらには禁止的になる。この損失は他の要因が一定の場合、ラインの導体の直径が小さいほど大きい。これによりこの損失は送電される電力が小さいほど深刻になり、線路ワイヤの直径が小さいためである。ワイヤからワイヤへのエネルギーのサイレント通過はラインの長さで直接増加し、長距離送電の限界として動作する。
第 XVI 章
伝送線路の電圧と損失
伝送線路の電圧は少なくとも60,000ボルトまで任意の値を取ることができ、導体の重量は選択された数値の2乗に反比例する。電力、線路長、損失が一定の場合である。線路の総圧力がどのようなものであれ、導体の重量は線路内の損失率に反比例する。
導体の最大損失と最小重量の場合とは、伝送されたエネルギーのすべてが線路導体の加熱に費やされる場合である。このようなケースは実際には決して起こらない。なぜなら、電力伝送の目的は有用な仕事を行うことだからである。
最小損失は理論的にはゼロであり、それに対応する導体の重量は無限大であるが、これらの条件は明らかに実際には達成できない。これらの極端な最小重量と無限大重量の間には、線路損失がゼロより大きく100パーセントより小さいすべての実用的伝送が存在する。
導体の重量と許容コストを決定するためには、それらで毎年失われるエネルギーのコストが要因の一つとして入る。この点で、最大負荷時の損失電力のパーセントと総エネルギー損失のパーセントの区別が考慮されるべきである。
線路損失は通常、最大負荷時に導体で消費される総電力のパーセントを指す。このパーセントは、線路電流と電圧が運転中のすべての期間を通じて一定である場合に、総エネルギー損失のパーセントに対応するが、これは実際の場合とはほど遠い。
伝送システムは、線路導体上で一定電圧または一定電流のいずれかで運転される可能性があるが、実用的ケースでは、これらの要因の両方が一定であることはほとんどない。これは、線路電圧と電流の積が、直流システムでは正確に、交流システムではおおよそ、伝送される電力の量を表すからである。実際の伝送システムでは、負荷、つまり電力需要は1日の異なる時間で多かれ少なかれ変動し、線路電圧または電流、あるいはその両方がそれに伴って変動しなければならない。
伝送システムが1つまたは複数の工場を運転するために使用される場合、1日の使用時間中の必要電力は25パーセントを超えない変動である可能性がある。しかし、一般的な電力供給システムを運転する場合、最大負荷は通常、各24時間ごとの平均負荷の2倍から4倍のどこかになる。このような変動負荷は、伝送線路の電圧または電流の対応する変化を意味する。
ヨーロッパではかなり長い伝送の数が直流の一定電流で実施されており、このようなシステムでは線路電圧は負荷に正比例して変動する。電気導体の電力損失は、その抵抗のオーム数（任意の温度で一定）とそれを通る電流のアンペア数に完全に依存するため、一定電流システムの線路損失は、負荷の変化がどれほど大きくても運転期間中に変化しない。この理由から、最大負荷時の線路電力損失のパーセントは、1日の総エネルギー損失のパーセントより通常小さい。
例えば、一定電流伝送線路が、1秒あたりにそれに供給される最大エネルギーの5パーセントを熱に変換するように設計されている場合、つまり最大負荷時の電力の5パーセントを損失する場合、線路が受ける電力が最大の半分に低下すると、損失のパーセントは0.05 ÷ 0.5 = 0.1、つまり10に上昇する。同様に、線路を通る電力が全量の4分の1に低下すると、線路損失は0.05 ÷ 0.25 = 0.2、つまり20パーセントに上昇する。
これらの事実から、広く変動する負荷を運転する場合、一定電流伝送線路の公正な全日効率は、最大負荷時の高い効率と組み合わせてのみ得られることが明らかである。これらの一定電流線路の損失に関する事実から、最大負荷時のこのような損失が常に小さいべきであるとは必ずしも結論づけられない。なぜなら、フル負荷で大きな損失が許容される場合、部分負荷時のさらに大きな損失率が悪いエンジニアリングを意味しないからである。
多くの大規模な水力発電所では、負荷が軽い1日の時間帯にダムの上に貯水容量が十分でないため、水の一部がダムを越えて流れる。これは、ほとんどの季節で余剰水のすべてを保持できないためである。したがって、すべての1日の水流が利用できない一定電流伝送の場合、線路損失が、さもなければ運ばれる最大負荷を減少させるほど大きくない場合、小負荷時の線路損失率がさらに大きいという事実はそれほど重要ではない。
ダムを越えて水が流れるか、線路の損失を補うためにホイールを通るかは明らかにほとんど違いがない。小負荷時にすべての水を貯蔵し、重負荷時に使用できる場合、一定電流線路の損失を最大負荷時で5パーセント以下のようなかなり低い値に抑えることが明らかに望ましい。
はるかに多い数の電気伝送は、ほぼ一定の線路電圧で実施され、主に交流であり、このような場合の線路電流は、交流線路の誘導の特定の結果を除いて、伝送される電力に正比例して変動する。線路抵抗は温度によるわずかな変動を除いて一定であるため、一定圧力線路のエネルギー損失率は、流れるアンペア数の2乗に比例して変動し、任意の負荷での損失率はそのアンペア数に正比例して変動する。
これらの線路損失と運ばれるアンペア数の関係は、電力、つまり仕事の率が電圧の数とアンペア数の積で表され、線路で実際に失われる電力が線路抵抗のオーム数とその中に流れるアンペア数の2乗の積で表されるという法則から導かれる。これらの各ケースで、線路に供給される電力はもちろんワットで測定され、各ワットは1/746馬力である。
これらの法則を適用すると、特定の一定圧力伝送線路の損失がフル負荷時にそれに供給される電力の10パーセントである場合、電力、およびその結果として線路のアンペア数が半分に減少すると、線路で熱として失われるワット数は（1/2）² = 1/4のフル負荷時の失われるワット数になる。なぜなら、流れるアンペア数が2で割られたからである。
しかし、フル負荷時に線路に供給される電力の量が50パーセント減少した一方で、線路で失われる電力がフル線路負荷の10パーセントの4分の1、つまり2.5パーセントに低下したため、半負荷時の線路で失われる電力は0.025 ÷ 0.5 = 0.05、つまりそれに供給される電力の5パーセントで表される。
この一定圧力伝送線路の効率がそれに供給される電力の減少とともに上昇するという事実、およびこのような線路の最大負荷が1日あたりほとんど1〜2時間以上続かないという事実が、最大負荷時の許容線路損失率を上げる傾向がある。
これは、最大負荷時の15パーセントの損失が、電気供給の通常の条件下で1日あたり線路に供給されるエネルギーの総量に対して平均5〜10パーセントの間の損失に容易に低下する可能性があるからである。伝送線路の実用的設計では、したがって、導体のサイズは、運転される最大負荷とその運転に利用可能な最大電力の関係、および調整の問題によって、さらには全日効率の考慮によって影響を受ける。
伝送システムが1日あたり1時間に運ばなければならない最大負荷が、水の貯蔵不足や貯蔵されたとしても水自体の不足のために、線路導体に供給できる電力のほぼすべてを必要とする場合、スチームプラントを設置するよりも最大負荷時の小さな損失のためにこれらの導体を設計することが望ましいかもしれない。
同様に、無負荷とフル負荷の間の伝送線路の末端電圧の変動が、発電端の圧力が一定の場合、フル負荷時の線路の電圧降下全体に相当するため、配電回路の圧力調整の要件が伝送導体の圧力降下を制限する。約110ボルトの通常の圧力の白熱灯による良好な照明サービスでは、変動をランプの圧力のどちら側も1ボルト以内に抑える必要がある。つまり、109から111ボルトの間である。
すべての長い伝送システムで一般的な電力供給には、配電線路が伝送回路に接続され、照明サービスの電圧が調整される1つまたは複数の変電所が必ず含まれる。照明回路の電圧変動の限界が非常に狭いため、伝送線路自体の圧力変化を適度な限界内に抑えたり、変電所で補償できるようにする必要がある。
これは、単一回路で伝送されたエネルギーが白熱灯と大型電動機の両方に配電される場合に特に当てはまる。なぜなら、このような電動機の始動と運転が伝送回路の電流と末端電圧の大きな変動を引き起こすからである。このような変動を変電所が容易に補償できる限界内に抑えるためには、伝送線路の損失が適度である必要があり、最大負荷時に供給される総電圧の10パーセント以内であることが多い。
発電所の設備容量とコストは線路損失率とともに上昇し、それによってその経済的な量を制限する。水力発電所の伝送線路に供給される毎馬力に対して、水車に1馬力以上、発電機に少なくとも1馬力、そしてしばしばステップアップ変圧器にさらに1馬力の容量が必要である。最大負荷時の線路で失われる追加の毎馬力は、発電プラントをそのフル容量まで働かせる場合、水車に1馬力以上、発電機に1馬力、変圧器に1馬力の追加を意味する。
発電所のコストが最大線路損失の上昇とともに増加するため、線路のコストのさらなる節約が対応する発電所のコストと運転の追加によって相殺される以上の点に達する可能性がある。この点、つまり線路損失のパーセントで示される点がどこにあるかは、各ケースの要因に依存し、その中で重要なのは伝送線路の長さである。
伝送線路の導体の初回コストとその中で毎年熱として失われるエネルギーの量の間の最大経済のための正確な関係を固定するための多くの努力がなされてきた。このケースに適用される最もよく知られた声明は、1881年に英国協会で読まれたケルビン卿の論文でなされたものである。そこで述べられた規則によると、伝送線路の導体の最も経済的なサイズは、その初回コストに対する年利がそれらで毎年無駄にされるエネルギーのコストに等しいものである。
伝送システムが線路導体でエネルギーを無駄にする唯一の目的で設計される場合、この規則は正確に適用される。なぜなら、それは単に無駄にされるエネルギーのコストとそれが無駄にされる導体のコストに対する利子を最小にする方法を示すからである。実際には、伝送システムは主にエネルギーを供給するために意図されており、無駄にするためではない。しかし、供給され無駄にされる全エネルギーの割合（これがまさに知りたいこと）については、ケルビンの規則は考慮しない。
彼の規則によると、電力が開発される場所での電力コストが安いほど、それを市場に運ぶ導体に支払うべき額は少なくなる。明らかな真実は、特定の地点での電力開発コストが低いほど、それを市場に運ぶ線路に投資できる額が多いということである。電力がその源で全くコストがかからない場合、この規則が正しければ、伝送線路を建設する価値はない。
ケルビン卿の規則の修正版が提案されており、それによると、導体のコストに対する利子とその中で失われるエネルギーの年額が等しくなるべきであり、ここでの額とはエネルギーが売れる額を意味する。この規則は線路導体の投資を大きすぎるものにするだろう。
供給されたエネルギーの生産と伝送の全コストは、供給がなされる地点で開発される同量のエネルギーのコストより大きくないべきである。この生産と伝送の全コストにおいて、線路導体の投資に対する利子は項目の一つに過ぎない。
おそらく、すべての伝送に適用される導体のコストとその中のエネルギー損失の間の最も経済的な関係のための正確な規則を述べることは不可能である。しかし、ほとんどのケースで導体の重量の最大限界を設定できる。この限界は、線路導体の投資に対する年利と減価償却費、およびすべての他の開発と伝送のコストを、伝送されたエネルギーの総コストを供給地点での同量のエネルギー開発コスト以上に上げないようにすべきである。
伝送導体の最大投資が上記の方法で適切に制限される一方で、この最大限界がすべてのケースで達成されるべきであるとは決して結論づけられない。実際のケースの変動する要件において、問題は可能な限り最低のコストで固定量の電力を供給すること、または使用地点での開発コスト以下の単位コストで可能な限り最大量の電力を供給することかもしれない。しばしば伝送システムは現在の要件を超える可能な容量を持ち、将来のビジネスでは重すぎない線路が現在の収益に不合理な利子負担をかけるかもしれない。
上記の考慮は、運転される電圧が決定された後の伝送線路の導体の設計に適用される。この電圧の選択に影響を与えるべき事実のセットは全く異なる。ある電圧で実施された場合に選択される線路損失の任意のパーセントで全く非実用的である伝送が、より高い電圧と線路導体のいくつかのサイズのいずれかで利益を生むビジネスを表す可能性がある。実用的コストの線路で供給できる電力が、ある電圧で運転された場合、目的のために小さすぎる可能性がある一方で、より高い電圧での利用可能な電力は十分かもしれない。
与えられた電力が与えられた最大損失率で伝送される場合、導体の重量はそれらの長さの2乗に比例して増加し、フル運転電圧の2乗に反比例して減少する。
したがって、この伝送の長さが2倍になると、導体の重量は電圧が同じままで4倍にされなければならない。しかし、電圧が2倍になり線路長が変更されない場合、導体の重量は4で割られなければならない。伝送の長さと電圧が一緒に下げられたり上げられたりする場合、電力と損失が一定の場合、導体の重量は固定される。
この最後の規則の例は、10マイルの距離を10,000ボルトで、50マイルの距離を50,000ボルトで与えられた電力を伝送するように設計された線路の場合から引き出せ、損失率が一定の場合、各線路の総導体重量は同じになる。
電圧と線路長の均一な比率が、変化しない導体の効率で与えられた電力を伝送するための一定の導体重量を許容する一方で、他の考慮がすぐにこうして得られる利点を制限する。
これらの考慮のうち重要なものは、線路導体の機械的強度、線路絶縁の困難、空気を通じた導体間の損失、発電機電圧の限界、変圧器のコストである。
上記で言及された10,000ボルトでの10マイル伝送が2本のNo. 1/0銅線回路を必要とする場合、これらの線の総重量は（5,500 × 10 × 2 × 320） ÷ 1,000 = 35,200ポンドで表され、ポール間のたるみを考慮して1マイルあたり5,500フィートの線を許容し、320ポンドは裸のNo. 1/0銅線の1,000フィートあたりの重量である。
線路の長さが50マイルに上げられると、2線回路は5,500 × 50 × 2 = 550,000フィートの単一導体を含み、電圧が同時に50,000に上げられるため、導体の総重量は以前のように35,200ポンドになる。したがって、50マイル線路の単一導体の1,000フィートあたりの重量は64ポンドだけである。
B. & S.ゲージのNo. 7銅線は1,000フィートあたり63ポンドの重量を持ち、50マイル線路に必要なものに最も近い通常のサイズである。このサイズの線を伝送線路に張るのは悪い政策だろう。なぜなら、機械的に弱すぎて嵐の天候で破損が頻繁に起こる可能性があるからである。この小さな線を50マイル線路に使用することで導入される信頼性の欠如の要素は、最終的に大きな導体よりはるかにコストがかかる。
一般に、No. 4 B. & S.ゲージ線は、良好な機械的強度を与えるために長い伝送線路で使用される最小のものべきであり、このサイズは同等の長さのNo. 7線の重量のちょうど2倍である。ここに、線路長とともに電圧を増加させることで得られる利点の実用的限界の一つがある。
線路電圧が上がると、線路絶縁への負担が急速に増加し、50,000ボルトで運転される回路の絶縁体は、10,000ボルト回路のものより大きくはるかに高価なものでなければならない。このように、長い線路で非常に高い電圧を使用することで導体で達成される節約の一部が、絶縁の増加コストによって相殺される。
非常に高い電圧で伝送線路を運転するのに伴うもう一つの欠点は、線間の空気を通じた電流の静かな通過によるエネルギーの連続損失である。この損失は、通常の線間距離で40,000から50,000ボルトの圧力に達した後、急速に増加する。このような損失を適度な限界内に抑え、非常に高い電圧の回路でのアークの確率を減少させるために、10,000ボルトで電流を運ぶ導体間の18インチまたは2フィートの距離を、50,000ボルトで運転される回路では6フィート以上に増加すべきである。
導体間のこのような距離の増加は、ポールとクロスアームのコストを大きくする。なぜなら、それらをさもなければ必要とされるより大きくするか、ポールあたり2本または3本の線に制限することでポール線の数を増加させるからである。これらの追加費用は、非常に高い電圧の採用とそれに伴う導体のコスト節約のために支払わなければならないペナルティのもう一つの部分を形成する。
装置は運転される電圧が増加するにつれて高価になり、絶縁材料のコストとそれらが占めるスペースのために、鉄部のサイズと重量を追加する。
交流発電機は13,500ボルトまで発展するものが得られるが、このような発電機は2,000から2,500ボルトで運転される同等の電力の他のものよりコストがかかる。これらの後者の電圧は、都市や町の配電回路とサービス変圧器を運転するのに通常望ましい最高のものであり、したがって伝送線路で2,500ボルトを超えるものが使用される場合、変電所でステップダウン変圧器が必要である。10マイルを超える伝送では、10,000から12,000ボルトでの運転による線路導体の節約が、この圧力用に設計された発電機とステップダウン変圧器の追加コストを通常相殺する以上になる。伝送の電圧が配電のものを超える場合、前者の電圧を少なくとも10,000または12,000まで上げるのが一般的には望ましい。
上記の電圧用に設計された発電機のコストが、低電圧発電機プラス変圧器のそれより少ないため、これらの圧力が超えないシステムではステップアップ変圧器を通常省略すべきである。13,000から15,000ボルトを超える交流圧力では、ステップアップ変圧器を一般的に使用しなければならない。伝送電圧を15,000以上に運ぶ場合の変圧器の追加コストを相殺する以上の線路導体の重量の節約のために、この電圧をほとんどのケースで25,000まで押し上げるべきである。
直流での電力伝送は、発電機のコストが線路電圧にかかわらずほぼ同じであり、変圧器が必要ないという利点がある。このような伝送はヨーロッパでは一般的であるが、アメリカ合衆国ではまだほとんど足場がない。直流発電機の均一なコストの理由は、それらが所望の線路電圧を与えるために直列に接続され、各機械の電圧が3,000または4,000以下に抑えられるという事実にある。直流発電機の低コストと変圧器の不在に対する部分的な相殺として、電力だけでなく照明用の電流が配電される場合の変電所のモーター発電機の必要性がある。
非常に高い電圧の採用によって必要とされる伝送システムのコストへのさまざまな追加にもかかわらず、これらの追加は、30、50、または100マイル長の線路での導体のコスト節約によってはるかに相殺される以上になる。実際、25,000から50,000の範囲の電圧によってのみ、これらの距離の最大のものと140マイルを超える他のものが伝送線路によって成功裏にカバーされた。60,000ボルト以上では、伝送線路の運転での実用的経験はわずかである。
電気伝送線路の導体のサイズを決定するための計算はすべて、オームによって発見された基本法則に基づいており、それは任意の瞬間に回路に流れる電流が電流を引き起こす電気圧力を回路自体の電気抵抗で割ったものに等しい、つまり電流 = 圧力 ÷ 抵抗である。
この公式に、実用的使用のための便利なサイズのために選択された単位を代入すると、アンペア = ボルト ÷ オームになり、オームは固定寸法の特定の標準銅棒の電気抵抗を統一として取ったものである。
アンペアは、1オーム導体の端子間で1ボルトの単位圧力で維持される単位電流の流れである。この公式を伝送線路の計算に適用する場合、ボルトは所望のアンペアの電流を任意の特定の線路の抵抗のオーム数で強制するために必要な電気圧力を表し、これらのボルトは線路が運転される総電圧との必要または固定の関係がない。したがって、伝送システムの総電圧が10,000の場合、線路で電流を強制するために500、1,000、または2,000ボルトを使用することが望ましく、これらの数の1つはフル負荷を表すアンペア数が流れるときの線路導体の実際の降下または損失ボルトを表す。すべての電気回路の法則として、電気エネルギーが熱または仕事に変換される率がそのいくつかの部分の各々でその中の電圧降下に正比例するという事実から、フル負荷時の10,000ボルト伝送線路の導体での500、1,000、または2,000ボルトの降下は、それぞれ5から10または20パーセントの電力損失に対応する。このケースで線路に失われる圧力として10,000ボルトの他の部分を選択できるのは明らかである。明らかに、与えられた電力伝送のためのフル負荷時の線路導体で失われるべきボルト数の公式は与えられないが、この数は線路効率、調整、および利用可能な電力と必要負荷の比率の項目の考慮によって決定されなければならない。
線路導体の最大損失ボルトを決定し、フル電圧、最大負荷時に線路に供給される電力、およびその結果としてアンペア数を認識した場合、導体の抵抗は公式、アンペア = ボルト ÷ オームによって計算できる。したがって、2,000,000ワットまたは2,000キロワットを20,000ボルトの2線伝送線路に供給し、線路導体で10パーセントまたは2,000ボルトの降下の場合、各線のアンペアは2,000,000 ÷ 20,000 = 100でなければならない。線路の2導体の合計抵抗は100 = 2,000 ÷ オームから見つかり、オームはしたがって20である。2導体の合計長さが200,000フィートの場合、20マイル弱の伝送線路に対応し、これらの導体の抵抗は20 ÷ 200 = 0.1オーム/1,000フィートでなければならない。ワイヤテーブルから、温度90°Fで直径0.3249インチのNo. 1/0銅線、B. & S.ゲージが0.1001オーム/1,000フィートの抵抗を持ち、低温では少し少なく、これが要求されるサイズであるのは明らかである。明らかに、20オームの抵抗は線路の長さとは全く独立であり、他の要因が一定の場合、さまざまな距離の伝送にさまざまなサイズの線が必要である。
所望の伝送導体の断面積を見つけることがしばしば便利であり、これは公式、アンペア = ボルト ÷ オームでオーム数の表現を代入し、以前のように解くことでできる。
すべての導体の電気抵抗はその長さに正比例し、その断面積に反比例し、導体が構成される材料に依存する定数要因も持つ。この定数要因は任意の材料、例えば純鉄、銅、またはアルミニウムに対して常に同じであり、通常、その材料の直径0.001インチ、長さ1フィートの丸線の実測抵抗として取られる。このような線は、その直径の2乗が依然として統一であるため、1サーキュラーミル断面積を持つと言われる。つまり、1 × 1 = 1。同様に、ワイヤの断面積による便利な指定のために、任意のサイズの各丸線は、その直径の2乗を0.001インチ単位で測定したサーキュラーミルで等しい断面積を持つと言われる。したがって、直径0.1インチの丸線は100 × 100 = 10,000サーキュラーミルを持ち、直径1インチの丸線は1,000 × 1,000 = 1,000,000サーキュラーミルを持つ。線のサーキュラーミルは平方インチでの断面積を表現しないが、これは1サーキュラーミルの線の抵抗が統一として取られるため必要ない。明らかに、すべての丸線の面積はそれらのサーキュラーミルと同じ比率である。
上記から、任意の丸導体の抵抗は公式、オーム = l × s ÷ サーキュラーミルで表され、オームは導体の長さのフィートを表すl、sは導体と同じ材料の線の実測抵抗だが断面積1サーキュラーミル、長さ1フィートであり、サーキュラーミルは要求される導体のそれである。公式、アンペア = ボルト ÷ オームでオームの代わりにl × s ÷ サーキュラーミルを代入すると、方程式、アンペア = ボルト ÷ (l × s ÷ サーキュラーミル)が得られ、これはサーキュラーミル = アンペア × l × s ÷ ボルトに簡略化される。提案された伝送に対して、この公式の量のすべてが所望の線路導体のサーキュラーミルを除いて知られている。定数量sは銅に対して約10.8であるが、計算では11として便利に使用され、これは線路線に存在する可能性のある不純物の影響を少し許容する。
上記で言及されたケースで、2,000キロワットが20,000ボルトで伝送線路に供給され、フル負荷時の損失が2,000ボルトの場合、サーキュラーミルの公式で解決できる。丸銅線の抵抗を直径0.001インチ、長さ1フィートで11オームとし、このケースの100アンペア、2,000ボルト、200,000フィートを公式に代入すると、サーキュラーミル = (100 × 200,000 × 11) ÷ 2,000 = 110,000になる。この110,000の平方根は、このケースの条件に正確に合う銅線の直径を与え、またはより実用的コースとして標準ワイヤサイズのテーブルを参照すると、直径0.3249インチのNo. 1/0線、B. & S.ゲージが105,500サーキュラーミル、つまり計算された数の約5パーセント少なく、求められたものに最も近いサイズである。このNo. 1/0線はフル負荷時の線路損失を約10.5パーセント与え、最初に選択された損失より0.5パーセントだけ多く、このケースの線路に採用すべきである。
ちょうど使用された公式は一般的に適用され、銅線と同じくアルミニウムや鉄や他の金属の線路の計算に適用できる。公式を所望の金属に使用するためには、その金属の丸線の実測抵抗、つまり長さ1フィート、直径0.001インチのオーム数が知られ、公式のsに代入されなければならない。この純アルミニウムの比抵抗は約17.7、軟鉄は約60、硬鋼は約80オームである。これらの値を公式のsに使用すると、それぞれこれらの3物質の線のためのサーキュラーミル面積が得られる。同様に、他の金属や合金の比抵抗が知られた場合、公式に適用できる。
上記の計算は、これらの回路が一定電流、一定圧力、または圧力と電流の両方が可変の場合のすべての2線回路に正確に適用される。回路が交流を運ぶ場合、特定の他の要因が考慮を必要とするかもしれない。ほとんどすべての交流伝送は3相3線、または2相4線、または単相2線回路で実施される。全数のこのような伝送のうち、3相3線回路のものが多数を占め、次に2相伝送の数が来、最後に単相電流の伝送が少数である。伝送の電力が計算され、線路損失のパーセントが基づく直流回路の電圧は、そこでの最大電圧であるが、これは交流回路では真ではない。交流回路の電圧とアンペアは両方とも、線に沿って反対方向の最大値の間で常に変動している。この事実から、電圧とアンペアの両方が最大に上昇するのと同じくらい頻繁にゼロに低下する。交流の理論の本で完全に証明されているように、交流発電機の特定の理想的構造とそれらが接続される回路の特定の条件で、これらの回路の常に変化する電圧とアンペアの等価または仮想値と呼ばれるものは、それぞれの最大値の0.707である。あるいは、この命題の逆を述べると、これらの回路の最大電圧とアンペアはそれぞれの等価または仮想値の1.414倍に上昇する。これらの最大と仮想の電圧とアンペアの関係は実際の回路と発電機でいくらかの変動を受けるが、これらの要因の仮想値は、適切な電圧計と電流計で測定され、伝送回路の設計で重要であり、最大値よりむしろ仮想値である。交流回路の電圧またはアンペアが言及される場合、これらの要因の仮想値は、他の値が指定されない限り通常意図される。したがって、一般的に述べられるように、単相回路の電圧はその2導体間の仮想ボルト数、2相回路の電圧はその4導体の各ペア間の仮想ボルト数、3相回路の電圧はその3導体のいずれか2つ間の仮想ボルト数である。
直流には存在しないいくつかの要因が、交流が流れる導体の損失に影響を与える傾向があり、このような効果の重要性は後で述べられる。このような効果にもかかわらず、上記で議論された公式を交流の伝送線路の計算に適用すべきであり、必要なら結果の適切な修正を行うべきである。修正に関するこの条件で、交流回路の仮想電圧とアンペアを、直流回路の実際の電圧とアンペアと同じように公式で使用できる。したがって、上記の例に戻ると、2,000キロワットが20,000ボルトで伝送線路に供給され、損失が2,000ボルトの場合、キロワットは交流で表される実際の仕事率として取り、述べられた電圧を線路の仮想電圧とする。仮想アンペアは今、直流の実際のアンペアであったように100になり、単相交流伝送の線路導体のサイズはしたがって直流線と同じ1-0である。伝送が2相4線システムで実施される場合、これらの線の各々の仮想アンペアは50になり、電力が2ペアの導体の間で均等に分けられ、これらの4線の各々はNo. 1/0線のちょうど半分のサーキュラーミル断面積を持つべきである。要求される線はしたがって52,630サーキュラーミルのNo. 3 B. & S.ゲージであり、これが最も近い標準サイズである。重量では、2本のNo. 1/0線と4本のNo. 3線はほぼ等しく、単相と2相線路で同じ損失を与えるために正確に等しくすべきである。3相回路で上記の伝送を行うために、3導体の各々は損失が以前と同じままで単相回路の2導体の各々の断面積のちょうど半分を持つべきであり、最も近い標準サイズの線は2相線路のように再びNo. 3である。これは自明の命題ではないが、証明は主題の理論に捧げられた本で見つかる。上記から、単相と2相線路が他の要因が同じ場合等しい導体重量を必要とする一方で、3相線路の導体重量は他の2つのいずれかの75パーセントだけである。交流回路のサイズと重量を上げる特殊要因を無視すると、単相と2相線路は等しい電力、電圧、線路損失の直流伝送と同じ導体重量を必要とする。これらの各ケースで、公式の要因lは直流線路の1ペアの全長、または交流線路のいずれかの伝送距離の2倍を示すことに注意すべきである。
任意の導体のサーキュラーミルを計算したら、その1,000フィートあたりの重量をワイヤテーブルで容易に見つけることができる。一部のケースでは、各々のサーキュラーミルを見つけずに伝送線路の導体の重量を計算することが望ましく、これは上記の公式の修正でできる。1,000,000サーキュラーミルの銅線は長さ1フィートあたりほぼ3.03ポンドの重量を持ち、したがって任意の銅線の重量は公式、ポンド = (サーキュラーミル × 3.03 × l) ÷ 1,000,000で見つけることができ、ポンドは導体の総重量を示し、lはその総長さ、サーキュラーミルはその断面積である。この公式はサーキュラーミル = (1,000,000 × ポンド) ÷ (3.03 × l)に簡略化され、このサーキュラーミルの値が任意の線の断面積の上記公式に代入されると、結果は(1,000,000 × ポンド) ÷ (3.03 × l) = (l × アンペア × 11) ÷ ボルトになり、この最後の等式の要因の転置はポンド = (3.03 × l² × アンペア × 11) ÷ (1,000,000 × ボルト)の形になり、これは直流、単相、または2相4線線路の銅導体の総重量のための一般公式であり、1ペアの長さl、流れる総アンペア、導体で失われるボルトが知られている場合である。
上記で考慮された伝送のlの値200,000、アンペア100、ボルト2,000をちょうど見つけた総重量の公式に代入すると、結果はポンド = (3.03 (200,000)² × 100 × 11) ÷ (1,000,000 × 2,000)になり、これをポンド = 66,660に簡略化し、直流、単相または2相電流のいずれかでの伝送に必要な銅線の重量である。3相電流では、この伝送の線路の銅の重量はちょうど見つけた66,660ポンドの75パーセントである。1つまたは複数の2線回路が直流または単相伝送に使用され、1つのこのような回路が使用される場合、各2線の重量は明らかに33,660ポンドである。2相伝送では2つまたは複数の2線回路が使用され、2つの回路の場合、すべての4線が通常の場合のように等しい断面積である場合、各々の総重量は16,830ポンドである。伝送が1つの3相回路でなされる場合、3線の各々の重量は16,830ポンドであり、それらの合計重量は50,490ポンドの銅である。これらの伝送線路の各々で、1方向の単一導体の長さは100,000フィート、または単一2線回路の線の長さの半分である。2線線路の場合、計算された各導体の重量は66,660 ÷ 200 = 333.3ポンド/1,000フィートになる。2相4線線路と3相3線線路の場合、各導体の重量は16,830 ÷ 100 = 168.3ポンド/1,000フィートである。裸銅線の重量テーブルの検査で、No. 1-0 B. & S.ゲージ線が1,000フィートあたり320ポンドの重量を持ち、計算された333ポンドの重量に最も近いサイズであり、2線回路に選択すべきであることがわかる。また、1,000フィートあたり159ポンドの重量のNo. 3線が計算された168ポンドに最も近いサイズであり、したがって3線と4線回路で2相と3相伝送に使用すべきである。直流、単相、2相、または3相伝送線路はもちろん所望のように多くの回路に分割でき、これらの回路は全電力の等しい部分を運ぶように設計されるかされないかである。いずれの場合も、いくつかの回路の合計重量は上記で見つけたものに等しく、電力、損失、線路長の条件が一定であるべきである。これらの公式が明らかにすべきように、伝送線路の導体のサーキュラーミルと重量の計算の公式は同じサイズの線の選択につながる。
ボルト損失、長さ、線路導体の重量の関係を支配するいくつかの法則が上記の公式から容易に導かれる。明らかに、サーキュラーミルと線路導体の重量は与えられた電流を運ぶときそれらで失われるボルト数に反比例して変動し、このボルト数を2倍にするとサーキュラーミルと導体の重量が半分に減少する。線路の長さが変化する場合、要求される導体のサーキュラーミルはその長さに正比例して変化するが、これらの導体の重量はその長さの2乗に比例する。したがって、線路導体の長さが2倍になると、各導体の断面積のサーキュラーミルも2倍になり、各導体は同じ電流とボルト損失で以前の4倍の重さになる。導体の長さとそれらで失われるボルト数が同じ率で変動する場合、各導体のサーキュラーミルは一定のままであり、その重量は伝送距離に正比例して増加する。したがって、同じサイズの線路線で、失われるボルト数と総重量の両方が50マイル伝送の2倍の100マイル伝送である。導体の総重量を一定に抑える場合、それらで失われるボルト数はその長さの2乗に比例して変動し、そのサーキュラーミルは長さに反比例して変動しなければならない。したがって、伝送線路の長さが2倍になると、一定重量の導体のサーキュラーミルは2で割られ、ボルト損失は以前の4倍になる。これらの規則の各々は、線路のワットと損失率が一定であると仮定する。
上記の原則と公式は直流または交流の伝送線路の設計に適用されるが、交流が使用される場合、特定の追加要因を考慮すべきである。これらの要因の一つは誘導であり、それによって交流回路で常に存在し、通常の電圧に反対する反電動勢を意味する。誘導の効果の一つは、導体のオーム抵抗によってもなされるように、電力が変電所に供給される線路の端での電圧を低下させることである。線路抵抗による電圧損失と誘導による損失の間には、前者が電気エネルギーの熱への実際の変換を表す一方で、後者はエネルギーの量の物質的な減少なしの圧力損失だけであるという非常に重要な違いがある。伝送線路のエネルギー損失がその抵抗に正比例して依存する一方で、誘導による圧力損失は導体の抵抗とは無関係に個々の線の直径、回路の長さ、導体間の距離、および電流が通過する秒あたりのサイクル数または周波数に依存する。これらの事実の結果として、伝送線路の抵抗または重量の計算で誘導を要因として使用することは望ましくなく、または実用的でない。通常構築された伝送線路では、誘導による電圧損失は一般にフル負荷時の導体の抵抗によるボルト損失の25から100パーセントの範囲である。この誘導を通じた損失は、すべての回路の抵抗が同じままで個々の線の直径を減少させることによって、線をより近くに持ってくることによって、より小さな周波数を採用することによって低下できる。実際には、誘導による失われるボルトは、発電所の発電機または変圧器を要求される圧力で変電所にエネルギーを確実に供給する電圧で運転することで補償される。したがって、特定のケースでは、発電端の有効電圧が10,000の場合、線路で10パーセントの最大損失でエネルギーを伝送することが望ましく、変電所での圧力が9,000ボルトになる。この線路の誘導による圧力損失が1,000ボルトであることがわかると、発電機は11,000ボルトで運転すべきであり、これは誘導による1,000ボルトの損失を考慮し、線路に有効電圧10,000を残し、線路抵抗による電力の10パーセント損失があるときに変電所に9,000ボルトの圧力でエネルギーを供給することを許す。
誘導は線路に反電動勢を設定するだけでなく、発電機または変圧器によってそれに供給される電圧を減少させるだけでなく、供給されるワット数を仮想供給電圧で割ったものによって示されるより大きな電流を線路に流す原因となる。電流増加の量は線路自体の誘導とその接続装置の特性の両方に依存する。ランプとモーターの混合負荷のシステムでは、誘導がかなり確実にあるが、その正確な量を事前に決定するのは非常に難しい。しかし、このようなシステムの経験は、誘導による線路電流の増加が、誘導が存在しない場合に流れる電流の5パーセントを超えず、通常10パーセント未満であることを示す。この誘導による追加電流の流れを、オーム抵抗によるボルト損失の増加なしに提供するために、線路導体の断面積を追加電流のパーセントに等しいパーセントで拡大しなければならない。これは、単相、2相、または3相交流の通常の伝送の場合、上記で与えられた公式で計算された各線路線のサーキュラーミルを5から10パーセント増加すべきことを意味する。このような線の断面積の増加はもちろん伝送の導体の総重量の同様の上昇を伴う。公式で計算された断面積の線が交流伝送に使用される場合、通常のケースの誘導は、誘導が存在しない場合のものより5から10パーセントの仮定された線路電力損失を上げる。したがって、フル負荷時の電力損失10パーセントのために公式で計算された導体で、通常のケースの誘導はこの損失を10.5から11パーセントのどこかに上げる。一般に、誘導は導体の計算されたサイズまたは重量、あるいはその中の電力損失を10パーセント以上増加させることはめったにないと言える。
交流が導体に沿って流れるとき、その密度は各断面積のすべての部分で均一ではなく、電流密度は導体の中心で最小で、外側表面に向かって増加する。この交流の各断面積への不均一な分布は、導体の直径または厚さと交流の周波数とともに増加する。この作用により、任意の導体のオーム抵抗は交流に対して直流のものよりやや大きくなる。なぜなら、前者の電流で導体の全断面積を利用できないからである。幸いなことに、伝送線路の線のサイズに関する限り、この交流の断面積への不均一な分布の実用的重要性は通常わずかである。なぜなら、関係する通常の電流周波数と導体の直径が言及された効果に大きな数値を与えるほど大きくないからである。したがって、秒あたり60サイクルは伝送線路の電流に一般的に使用される最高周波数である。4-0線と命名された電流周波数で、交流に対するオーム抵抗の直流に対する増加は0.5パーセントに達しない。
上記の公式で伝送線路のサーキュラーミルまたは重量を計算したら、交流の使用によって要求されるこの重量の唯一の物質的な増加は誘導によるものである。この増加は将来の負荷の不確実な要素のために事前に正確に計算できないが、経験はそれが導体の計算されたサイズまたは重量の10パーセントを超えることはめったにないことを示す。
第十七章
送電回路の選択。
送電線路の最大電力、電圧、損失、および導体の重量が固定された場合、線路を構成する回路の数、およびこれらの回路相互の関係が決定されるべきである。
実際には、2点間の単一の送電線路における回路の数と関係については、大きな違いが存在する。この事実を説明する事例として、エレクトラ発電所からサンフランシスコまでの147マイルの送電と、ミズーリ川のカノン・フェリーからモンタナ州ビュートまでの65マイルの送電がある。エレクトラ発電所では、発電機容量は10,000キロワットであり、サンフランシスコへの送電は、断面積471,000サーキュラー・ミルのアルミニウム導体3本からなる1つの回路を運ぶ単一のポール線路で行われている。カノン・フェリーの発電機からは、合計容量7,500キロワットのエネルギーの一部が別線でヘレナに送られ、ビュートへの送電は40フィート離れた2本のポール線路で行われている。これらの2本のポール線路のそれぞれは、断面積105,600サーキュラー・ミルの銅導体3本からなる単一の回路を運んでいる。これら2つの発電所の慣行の違いは、電圧がそれほど離れていないという事実によってさらに強調される。カノン・フェリーとビュートの線路は50,000ボルトで、エレクトラとサンフランシスコの線路は60,000ボルトで運転されている。
送電線路の建設における経済性は、単一回路の使用を強く示唆する。なぜなら、これはポール線1本だけを意味し、通常は電力線用のクロスアームがポールあたり1本だけで、ピンと絶縁体の数が最小限で、導体の設置労力が最小だからである。単一回路に有利な点として、すべての回路の代替として採用される可能性のあるすべての回路の重量と同じ重量を持つため、各導体の機械的強度が最大になるという議論もある。銅の場合、各導体の断面積が83,690サーキュラー・ミル未満、つまりNo. 1 B. & S.ゲージワイヤに相当する場合、機械的強度の議論は特に強力である。なぜなら、No. 1ワイヤの1回路が必要な重量を持つ場合、代わりに2つの等しい回路を使用すると、各導体のサイズが41,740サーキュラー・ミルのNo. 4ワイヤに縮小され、これは機械的理由で長距離線路で使用可能な最小のワイヤだからである。これらの単一回路の議論に反対するのは、2つ以上の回路の方が信頼性が高いと考えられること、修理のしやすさ、規制の有効な手段、そして導体サイズの縮小によるインダクタンスへの影響に基づく議論である。
各導体のサイズが縮小されるにもかかわらず、同じ送電に2つ以上の別々の回路を使用することは、信頼性を高めると考えられることがある。なぜなら、1つの回路に断線や短絡が発生した場合、他の回路が利用可能だからである。送電導体の断線は、風圧、木の倒壊、または氷の蓄積などの機械的応力だけによるか、あるいは導体間のアークによる溶融によるものである。小さい導体は大きい導体より断線や溶融しやすくなるため、大きい導体の単一回路の代わりに2つ以上の回路を使用すると、この種のトラブルが増加する傾向がある。したがって、2つ以上の回路は導体の断線が実際に発生した後の継続運転の機会を増やすが、大きい導体の単一回路を使用すると断線の可能性が低くなるようである。
送電線路の修理、例えば破損した絶縁体の交換や焼損したポールの設置が必要な場合、修理中に1つを使用停止にできるように2つ以上の回路を持つことは確かに便利である。しかし、導体間の距離が接触やアークの開始の可能性がないほど離れていれば、高電圧回路でも使用中でもそのような修理は可能である。そのような距離を得るためには、ポールあたり1回路だけとし、それでもこのタイプの建設で一般的なものより多くのスペースを提供すべきである。カノン・フェリーとビュートの2本のポール線路のそれぞれには、クロスアームの反対端に2つとポールの頂部に1つという三角形配置の3本の導体からなる単一回路があり、各回路の導体から他の2つのいずれかまでの距離は6.5フィートである。この導体間の距離はおそらく現在使用中のどの送電回路でも最大級だが、50,000ボルトで運転中の回路の修理を合理的に安全にするには小さすぎるようである。ポール線専用の単一回路の導体間の距離を、より長いクロスアームのわずかな追加費用で10フィートまで増やすことはできないという良い理由はないようである。導体間が10フィートあれば、これらの導体を掴むための長い木製ハンドルの特殊工具を使えば、60,000ボルト線路でも運転中の修理に深刻な危険はないはずである。エレクトラとサンフランシスコ間の60,000ボルト線路は1回路だけなので、運転中の修理が想定されているようである。
高電圧送電を単一回路で実施したもう一つの例は、ショーウィニガン滝からモントリオールまでの85マイルである。この場合、回路は断面積183,750サーキュラー・ミルのアルミニウム導体3本からなり、これらの導体はポールの頂部に1つ、下のクロスアームの端に2つという5フィート離れた配置である。この単一回路はモントリオールの照明と電力供給のために50,000ボルトで定期運転されており、電流が流れている線路の修理を避ける方法がわからない。
インダクタンスは、回路内のワイヤ直径とこれらのワイヤ間の距離の比率で変化するが、インダクタンスは単に発電機や変圧器が供給する電圧を上げるだけで、エネルギーの損失を表さないため、一般的に回路の数、導体間の距離、各導体のサイズの選択ではほとんど考慮されない。複数の小さい導体の2つ以上の回路が、大きい導体の単一回路と同じ抵抗を並列で持つ場合、インダクタンスによる電圧損失は単一回路の方が複数の回路より大きい可能性があるが、単一回路の利点が発電機や変圧器の高圧を補う以上のものになる可能性がある。そのような利点が実際の建設で存在すると考えられたことは、エレクトラ発電所からサンフランシスコまでの147マイル線路と、ショーウィニガン滝からモントリオールまでの83マイル線路がそれぞれ1回路で構成されている事実からわかる。インダクタンスは回路の長さに比例して増加するため、これらの非常に長い線路は特にその影響を受けやすいが、各場合で単一回路の利点が欠点を上回ると考えられた。
広範囲に離れた複数の変電所に同じ送電線路でエネルギーを供給する場合、線路導体を1つ以上の回路に分けるもう一つの議論が存在する。つまり、各変電所に独立した回路があるようにするためである。各変電所のローカル配電線路の圧力は規制されなければならないため、各変電所と発電所間の別々の送電回路を持つことは、発電所での各回路の電圧をその変電所の要件に可能な限り調整できるという大きな利点である。この慣行の興味深い例は、ハドソン川のスピア滝から南に30から40マイルのシェネクタディ、トロイ、アルバニーの都市への送電回路の設計で見られる。この送電線路が完成すると、No. 0の1つとNo. 000の銅ワイヤの3つの4つの三相回路が、発電所からサラトガのスイッチハウスまで約8マイル走る。
このスイッチハウスから、No. 0導体の2回路がサラトガ変電所まで少し1マイル以上、No. 000ワイヤの2回路がトロイ対岸のワーターブリート変電所まで発電所から35マイル、No. 0の1回路とNo. 000の1回路がスピア滝から30マイルのシェネクタディまで運ばれ、途中でバルストン変電所を通り供給する。他の回路はワーターブリート変電所をシェネクタディの変電所とメカニクスビルの水力発電所に接続する。ワーターブリート変電所から二次線路がアルバニーとトロイのローカル照明と電力配電を制御する変電所に走る。この送電回路のネットワークは、この事例の条件によって望ましいものとなった。これには、3つの大都市といくつかの小都市での一般的な照明と電力供給、3つの大規模電動鉄道システムの運転、そして大規模製造工場のモーターへの数千馬力の供給が含まれる。
異なる広範囲に散在した負荷を持つすべての送電システムで、1つ以上の主回路を提供することが望ましいと考えられているわけではない。例えば、ショーウィニガン滝からモントリオールまでの83マイルの単一回路は、途中のいくつかの小さい場所にも電力を供給するように設計されている。
同様に、エレクトラ発電所からサンフランシスコまでの147マイル回路は、ストックトンを含む十数以上の小さい場所を通り、オークランドとサンホセに走る側線に接続される。このような場合、多数の都市や町を通る非常に長い線路で、遅かれ早かれサービスを必要とするため、各ローカル配電センターに別々の回路を提供するのは明らかに非現実的である。そのような場合、発電所と変電所の長い列に接続された単一の主送電回路が問題の最良の解決策を表す可能性がある。そのような回路の発電所端での電圧は、負荷が最も重要または厳しい変電所に適合するように自然に規制され、他の各変電所は自身の負荷のすべての規制を任される。
送電線路の長さの多くに沿って散在した変電所を供給する送電線路の総電圧損失が大きいほど、変化する負荷の下で、すべての変電所のうち1つを除くすべての変電所で補償される電圧変動が大きくなる。単一回路が使用される場合である。例えば、100マイルの送電線路が単一回路で構成され、発電所から50マイルと100マイルに2つの変電所を供給すると仮定する。まず、中間変電所に負荷が全くないと仮定する。単一送電回路が発電所で50,000ボルトで運転され、フル負荷時に100マイル離れた変電所で45,000ボルトに対応する10パーセントの損失なら、中間変電所の圧力は47,500ボルトになる。今、100マイル離れた変電所の負荷が全線損失が1,000ボルトだけになる点まで低下し、発電所の圧力が46,000ボルトに下げられてより遠い変電所で45,000ボルトを維持する場合、中間変電所の圧力は45,500ボルト、つまり以前より2,000ボルト低くなる。全線フル負荷時の損失が5パーセントだけなら、発電所で50,000ボルトの時100マイル離れた変電所で47,500ボルトになり、中間変電所の圧力は48,750ボルトになる。全線損失が最大の1/5、つまり500ボルトに低下した場合、より遠い変電所で47,500を一定に保つために発電所の圧力を48,000ボルトに下げると、中間変電所の圧力は47,750ボルト、つまりフル負荷時より1,000ボルト低くなる。これら2つの例から、中間変電所の圧力変動の程度は最大線損失に直接依存することがわかる。発電所の規制が100マイル離れた変電所で一定電圧を維持するようであれば。
上記のすべては中間変電所に負荷がないと仮定しているが、負荷があると圧力変動はもちろんその量とより遠い変電所の負荷に依存する。
同じ送電線路で2つ以上の回路を使用する最も強い理由の1つは、大型固定モーターや電動鉄道システムが運転される場所での負荷の急速な変動から生じる。送電線路が固定または鉄道モーターの負荷を運ぶ場合、線路を少なくとも2回路に分け、1回路を鉄道またはモーター作業専用、もう1つを照明専用とするのが一般的である。場合によっては、この送電システムの照明とモーター負荷への分割は、変電所機器と線路だけでなく、変圧器、発電機、水車、さらには発電所のペンストックまで実施される。この送電システムの分割をさらに進め、モーターまたは照明負荷、または両方をセクションに分け、各セクションの運転に別々の送電回路、変圧器群、発電機、水車を専用とすることも可能である。発電および送電機器の完全な独立ユニットへの分割の例は、メイン州ポートランドに照明と電力を供給するシステムで、13マイル離れたプレサンプスコット川の発電所からである。この駅では、フォアベイ壁に別々のゲートを備えた4本の鋼製ペンストックが4組の水車に水を供給し、各組の水車が直結発電機を駆動する。発電所と都市のビジネス地区外の変圧器ハウスを接続する4つの三相回路があり、各回路はNo. 2の固体軟銅線で構成される。
これらの4セットの機器は、ヘッドゲートから変電所まで通常他のものとは独立して運転され、モーター負荷または電動照明の一部を供給する。この方法で、1セクションの負荷量の変化が他のセクションの電圧変動を引き起こさない。ニューハンプシャー州マンチェスターでは、変電所は4つの水力発電所からエネルギーを受け取り、低圧2,300ボルトの三相母線を2セット備え、1セットはローカル電動鉄道システム専用、もう1セットはランプと固定モーターの供給専用である。これらの母線の各セットは複数のセクションに分けられ、これらのセクションにより異なる送電回路が照明とモーター負荷の異なる部分に専用される。4つの水力発電所の3つが変電所に各2回路で接続されているため、この場合の負荷分割は発電機までしばしば実施され、例えば発電所の発電機1つが鉄道作業、もう1つが同時の照明負荷で運転される。この計画は、発電機で全負荷の複数の部分の規制の多くができるという明らかな利点があり、変電所での必要な規制量を減らし、変動するモーター負荷がランプに影響しない。この場合、いくつかの送電回路の導体はすべて中程度のサイズで、線路の分割はインダクタンス量の低減ではなく規制目的で採用されたようである。例えば、グレッグズ滝と変電所の間の6マイル線路は、No. 4の三相回路1つとNo. 6の裸銅線の回路1つで構成される。ガービンズ滝の発電所と変電所の間の14マイル線路、4つの送電のうち最長は、No. 0裸銅線の各三相回路2つで構成される。グレッグズ滝発電所の線路の細分化は発電機器のそれより進んでおり、そこには1,200キロワットの単一発電機しかなく、変電所まで2回路が走る。線路を別々の回路に多重化したもう一つの例は、カナダのケベックへのモントモランシー滝からの7マイル送電で、No. 0銅ワイヤの各16本の導体が、2,400キロワット容量の発電所と変電所を接続する4つの二相回路を構成する。
そのような送電回路の多重化は規制の観点からいくつかの利点があるが、むしろ短い線路に制限する良い理由があり、実際にはほとんどそこで見られる。非常に長い線路で多数の回路とかなり小さい機械的に弱い導体の使用は、検査と修理の恒常的な費用を明らかに増加させ、サービスの不確実性を増大させる。25マイル以上の送電線路で2回路以上に分けられたものはほとんどなく、いくつかの事例では超長線路がそれぞれ単一回路だけである。世界最大の単一電力送電、ナイアガラ滝とバッファロー間のものは、約20マイルの1つと約23マイルのもう1つの2本のポール線路で行われる。より長いポール線路で古い方は、350,000サーキュラー・ミルの銅導体3本の各三相回路2つを運ぶ。より短いポール線路は、断面積500,000サーキュラー・ミルのアルミニウム導体の単一三相回路を運ぶ。アルミニウム回路は銅で構成された2つの各々に電気伝導度で等しく意図されている。A. I. E. E.第18巻518から527ページのナイアガラ滝とバッファロー送電システムの記述によると、これらの3回路の各々は約7,500キロワットを送電するよう設計されており、1901年8月までの最大送電電力は15,600キロワット、つまり計算された2回路の容量である。記述によると、バッファローで使用するためのエネルギーを供給する送電回路は定期的に並列運転され、これは発電機と降圧変圧器にも当てはまるが、このエネルギーが適用される用途には照明、大型固定モーター、電動鉄道システムが含まれる。しかし、ナイアガラ滝の発電所とバッファロー近郊のターミナルハウスの機器は、発電所の2つの3,750キロワット発電機と8つの昇圧変圧器、送電回路1つとバッファローのターミナルハウスの3つの降圧変圧器が、他のすべての機器とは独立して運転できるように配置されている。
すでに指摘したように、非常に長い送電システムでの各変電所と各変電所の照明と電力負荷のための別々の回路の使用はしばしば非現実的である。比較的短い送電でも回路の多重化とかなり小さい機械的に弱い導体の使用は設置の初回費用とその後の検査と修理の費用を増加させる。広範囲に離れた変電所に照明、電力、鉄道負荷を供給する送電線路での単一回路の運転に対する異議は、各変電所の配電線路での圧力規制の難しさから生じる。そのような送電線路は必然的にいくつかの変電所で異なる変動する電圧でエネルギーを供給し、これらの変動はもちろん降圧変圧器の二次側で再現される。しかし幸いにも、同期モーター発電機を静的変圧器の代わりにまたはそれと共に使用することで、送電線路から供給される配電回路の圧力規制の問題を大きく解決する。これは、一定周波数で同期モーターの回転速度が印加電圧の変動や負荷変化に関係なく一定であるというよく知られた事実によるものである。モーターと接続発電機の一定速度で、当然配電線路に一定電圧で電流を供給するのは簡単である。この速度の一定性により、同期モーター発電機は電力と照明負荷の両方を持つ大規模送電システムで人気がある。ナイアガラ滝から送電されたエネルギーで運転されるバッファローの満足な照明サービスは、ある程度バッファロー変電所での同期モーター発電機の使用によるようである。上記のように、ナイアガラ滝とバッファロー間の送電線路の3回路は並列運転され、後者では鉄道と固定モーターの大負荷がある。3回路が並列運転されるため、これらのいくつかの負荷の変化による電圧変動に関しては単一回路に相当する。A. I. E. E.第18巻125ページ以降によると、1901年のバッファローでの送電システムの負荷は、鉄道モーターで約7,000馬力、誘導モーターで4,000馬力、ランプと連続電流モーターで分けた4,000馬力である。鉄道負荷は降圧変圧器とロータリーコンバーターを通じて運転される。誘導モーターは降圧変圧器の2,000ボルト二次回路またはこれらの回路から供給されるサービス変圧器に接続される。これらの鉄道と固定モーター負荷ではもちろん密接な圧力規制の必要はない。シリーズアークランプは降圧変圧器と一定連続電流ダイナモに直結した同期モーターを通じて運転される。連続電流固定モーターは鉄道負荷のように降圧変圧器とロータリーコンバーターを通じて送電線路から電力を引き込む。商業アークと白熱照明のためのサービス変圧器を供給する2,200ボルト回路では、送電エネルギーは降圧変圧器と同期モーター発電機を通る。これらのモーター発電機は周波数を25から60サイクル毎秒に上げる。最後に、外側ワイヤ間で約250ボルトの白熱照明のための連続電流三線システムは、降圧変圧器と連続電流発電機に直結した同期モーターを通じて運転される。この最後のサービスでは、ロータリーコンバーターが最初に試されたが、送電線路の電圧変動（主に鉄道とモーター負荷による）がロータリーコンバーターにより連続電流回路で再現されるため非現実的であることがわかった。モーター発電機の採用以来、このサービス電圧の変動はもはや存在しない。
照明とモーター負荷の両方を運ぶ送電線路から電力を供給する同期モーター発電機のもう一つの事例は、モントリオールのショーウィニガン変電所である。この変電所では、ショーウィニガン滝の発電所からの85マイル送電線路が終端する。すでに指摘したように、この線路は断面積183,750サーキュラー・ミルのアルミニウム導体の単一三相回路で構成される。モントリオール変電所では、30サイクルの三相電流がショーウィニガン滝から電圧を2,300に下げる変圧器に供給される。電流はその後、各1,200馬力容量の5つの同期モーター発電機に行き、そこでは同じ電圧で63サイクル毎秒の二相に変換される。この変換された電流はモントリオールのローカル電気供給システムの配電線路に渡され、他の2つの水力発電所からもエネルギーを引き込み、必要に応じて照明、固定モーター、または街路鉄道作業に専用される。これらのいくつかの負荷に別々のローカル配電回路が専用されるが、固定と鉄道モーター作業の変動は必然的に変電所の送電線路と変圧器の電圧に反応する。同期モーター発電機の使用により、照明回路はこれらの圧力変動から保護される。
長距離送電線路上の異なるポイントでの変電所の数が増加し、各々で固定モーターと鉄道負荷がより一般的になるにつれ、照明サービスのための同期モーター発電機の使用は現在よりはるかに頻繁になると予想される。そのような使用により、送電回路の多重化の理由の1つが消える。
発電所を単一変電所または同じ一般方向の複数の変電所に接続するいくつかの送電回路がある場合、2つ以上の回路を1つとして組み合わせられるように、または通常特定の負荷または変電所を運転する回路が機会が必要な時に別のものに専用できるように、スイッチを配置することが望ましい。この目的のため、発電所、変電所、しばしばスイッチハウスで各回路に転送スイッチが必要である。これらの転送スイッチは通常ナイフ型で、接続された回路が使用されていない時の手動操作を意図する。そのようなスイッチは送電の全電圧にさらされるため、導電部分の絶縁は非常に高くすべきである。ニューヨーク州トロイ、アルバニー、シェネクタディの変電所とスピア滝とメカニクスビルの発電所の広範な送電システムでは、高絶縁構造の転送スイッチが多用されている。このスイッチの2つのブレードは互いに独立して動くが、両方とも同じ金属クリップの間に取り付けられる。各ブレードは2 x 1/4インチの銅棒で、2つのブレードを支えるクリップは外径4.75インチ、高さ2インチの円形金属キャップの上に取り付けられ、大型二重ペチコートの磁器線絶縁体の頂部にセメントで固定される。
これらの銅ブレードがスイッチを閉じる際に振り込まれるクリップも、上記のように絶縁体で運ばれるキャップに取り付けられる。これらの絶縁体の各々は大型木製ピンに取り付けられ、これらのピンはスイッチが必要なポイントの木材に固定される。このスイッチの構造は、このシステムの30,000ボルトの線電圧に十分な絶縁を与える。上記転送スイッチにより、スピア滝発電所を発つ送電回路のいずれもそこにある10発電機と10変圧器群のいずれかに接続できる。サラトガスイッチハウスでは、スピア滝からの4三相回路を構成する12導体のいずれも、サラトガ、ワーターブリート、シェネクタディ変電所へ南に走る6三相回路を構成する18導体のいずれかに、図に示すように接続できる。同様にワーターブリート変電所では、スピア滝から26,500ボルトとメカニクスビルから10,800ボルトのエネルギーを受け取り、これらの水力発電所のいずれからの単一導体も、アルバニーとトロイ周辺の鉄道と照明変電所へ走る導体のいずれかに、直接または変圧器を通じて接続できる。いくつかの送電回路が使用される場合、この接続の完全な柔軟性は運転の利便性と信頼性を明らかに増加させる。
送電線路の回路。
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| | | | | | サイクル|
| |長さ |回路 |ポール|サーキュラー| 毎 |
| 線路の場所。 |(マイル)| の |線路 |ミル毎 | 秒 |
| | |数。 |の数。|ワイヤ。 | の |
| | | | | |電流。 |
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|エレクトラからサンフランシスコ| 147 | 1 | 1 |[A]471,034| 60 |
|コルゲートからオークランド、カリフォルニア| 142 | 2 | 2 | 133,100| 60 |
| | | | |[A]211,000| |
|サンタアナ川からロサンゼルス | | | | | |
| | 83 | 2 | 1 | 83,690| 60 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| 85 | 1 | 1 |[A]183,750| 30 |
|カノン・フェリーからビュート | 65 | 2 | 2 | 106,500| 60 |
|ウェランド運河からハミルトン | 35 | 1 | 1 | 83,690| 60 |
|ウェランド運河からハミルトン | 37 | 1 | 1 | 133,100| 60 |
|スピア滝からシェネクタディ | 30 | 2 | 1 | 105,600| 40 |
| | | | | 167,800| |
|スピア滝からワーターブリート、| | | | | |
|N. Y. | 35 | 2 | 1 | 167,800| 40 |
|オグデンからソルトレイクシティ| 36 | 2 | 1 | 83,690| 60 |
|アップル川滝からセントポール| | | | | |
| | 27 | 2 | 1 | 66,370| 60 |
|ナイアガラ滝からバッファロー | 23 | 2 | 1 | 350,000| 25 |
|ナイアガラ滝からバッファロー | 20 | 1 | 1 |[A]500,000| 25 |
|ファーミントン川からハートフォード| 11 | 1 | 1 |[A]364,420| 60 |
|ナイアガラ滝からトロント | 75 | 2 | 1[B]| 190,000| 25 |
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[A] アルミニウム導体。
[B] 鋼鉄塔。
第十八章
電力送電のためのポール線路。
長い送電線路は、可能な限り発電所と変電所間の最も直接的なルートをたどるべきである。ポール、クロスアーム、絶縁体の数は線路の長さに比例して増加し、導体の重量は他の要因が等しい場合、その長さの二乗に比例する。したがって、直線からのあらゆる重大な逸脱は、かなり高いコストで支払われることになる。
配電線路は消費者に到達するために必然的に公道をたどるが、私有の通行権のコスト節約とアクセスの容易さが、送電線路を街路や高速道路に維持する主な考慮事項である。非常に荒れた地形や沼地を除けば、私有通行権上のポール線路へのアクセスの難しさは深刻な問題ではなく、ほとんど考慮する必要はない。私有通行権のコストはより重要であり、公道上に建設した場合のポール線路と導体の追加コストと比較すべきである。この追加コストには、ポール周囲の舗装、頻繁な曲がりによる追加のピン、絶縁体、ガイワイヤの項目、必要なフランチャイズ取得に必要な金額を含めるべきである。また、公道上のワイヤに維持される電圧に関する将来の立法の可能性もある。これらの考慮事項を総合すると、特に電力量が大きく電圧が非常に高い長い送電線路の位置を私有通行権に置く強い傾向がある。
最近建設されたニューハンプシャー州ロチェスターからペルハムまでの80.3マイルの送電線路は、発電所のあるポーツマス経由で電動鉄道システムに供給し、13,200ボルトで運転され、主に私有通行権上に位置している。この通行権の譲渡証書は、線路の両側1ロッド以内のすべての木や枝を切り取ることを規定している。ナイアガラ滝とバッファロー間の約23マイルの送電線路は、22,000ボルトで運転され、幅30フィートの私有道に主に位置している。
[イラスト: FIG. 80.–ニューハンプシャー・トラクション会社の送電線路、ハンプトン川橋を渡る、4,623フィート長。]
カノン・フェリーとビュート間の送電線路は、主に私有道に位置している。コルゲートとオークランド間の送電線路は主に私有道であり、カリフォルニアの他の高圧線路の大部分も同様である。これらの私有通行権は幅50フィートから数百フィートまであり、森林ではワイヤに倒れる可能性のあるすべての高い木を切り倒す必要がある。
非常に高電圧の送電の場合、2つの独立したポール線路を建設し、各ポールセットに1つ以上の回路を走らせる場合がある。この建設は、ナイアガラ滝とバッファロー、カノン・フェリーとビュート、ウェランド運河とハミルトン、コルゲートとオークランド間の送電線路で採用されている。そのような二重ポール線路は通常同じ通行権上に位置し、カノン・フェリーとコルゲートシステムでそうであるが、常にそうとは限らない。ハミルトンシステムでは、35マイルと37マイルの2本のポール線路が数マイル離れている。バッファロー線路の一部での2セットのポールは30フィート未満、コルゲート線路では25フィート、カノン・フェリー線路では40フィート離れている。
ポール線路を1つではなく2つ使用する主な理由は、1回路で開始されたアークが同じポール上のもう1つの回路に伝わる可能性と、各回路が別々のポール線路にある場合の修理の容易さと安全性である。カノン・フェリー送電の各ポール線路とコルゲート送電の各ポール線路には、3線回路が1つだけある。カノン・フェリー線路では2回路の各ワイヤの断面積は106,500サーキュラー・ミルだけ、コルゲート線路では1回路が133,225サーキュラー・ミルのワイヤ、もう1回路が211,600サーキュラー・ミルのケーブルである。これらの数字と対比して、エレクトラとミッション・サンホセ間のスタンダード・エレクトリック社の線路、距離99マイルは、断面積471,034サーキュラー・ミルのアルミニウムケーブル3本だけである。インダクタンスは導体の電流周波数で増加し、検討した3システムの各々で周波数は毎秒60サイクルである。
小さいワイヤの2回路の代わりに大きいワイヤの1回路を使用することは、各導体の機械的強度が大きいという明らかな利点があり、ポール線路1本と2番目の回路の建設コストを節約する。長距離送電線路で40,000から50,000ボルト以上の電圧では、ワイヤからワイヤへの空気を通じた漏電損失が大きい。この損失を望ましい範囲内に抑えるためには、各回路の各ワイヤに同じ回路の他のワイヤからより大きな距離を与える必要があり、各回路のすべてのワイヤが1本のポール線路に取り付けられる場合に容易に得られるものより大きい。提供される3線回路が1つだけの場合、3本のポール線路またはそれらの間に長いクロスピースを持つ2本の線路を、線路間の任意の望ましい距離で設置でき、ポールごとに1本のワイヤで空気を通じた漏電を少量に低減できる。この方法で建設された線路では、通常の手段でワイヤ間にアークを開始するのは実質的に不可能である。
同じ線路でのポールからポールまでの距離は、運ばれる導体の数、サイズ、素材で多少変化する。通常の建設では直線でポールは100から110フィート離れ、つまり1マイルあたり約50本である。曲線や角近くではポールの間隔を短くすべきである。上記のニューハンプシャーの80.3マイルの線路ではポールは定期的に100フィート離れている。ナイアガラ滝とバッファロー間の2本のポール線路のうち、古い方は350,000サーキュラー・ミルの銅ケーブル12本を運ぶよう設計され、ポールは70フィート離れていた。新しい線路は500,000サーキュラー・ミルのアルミニウムケーブル6本を運ぶよう設計され、ポールは140フィート離れている。カノン・フェリーとビュート間の各線路のポールは定期的に110フィート離れ、各ポールは106,500サーキュラー・ミルの銅ケーブル3本を運ぶ。
[イラスト: FIG. 81.–シャンブリー-モントリオール線路がシャンブリー運河を渡る。]
[イラスト: FIG. 82.–スピア滝とシェネクタディ間の線路の特殊木製構造。]
コルゲートとオークランド間の142マイルの2本の線路は各々132フィート離れたポールで構成され、1本のポール線路は上記の3本の銅導体、もう1本はアルミニウム導体を運ぶ。アルミニウムワイヤは同等の導電率の銅ワイヤの重量の半分だけなので、アルミニウムワイヤを運ぶポール間のスパン長は銅を使用する場合より長くできる。しかし、ポールへの負担の一部だけがワイヤの重量によるものである。水域を渡る必要がある場合、各側でワイヤの特殊支持を持つ非常に長いスパンが必要になる可能性がある。このような事例は、コルゲートとオークランド線路がカルキネス海峡を渡る場所で、水路が3,200フィート幅のポイントで発生した。これらの海峡を渡るケーブルの最低部を水面から少なくとも200フィート上にし、最も高いマストの船舶が下を通れるようにする必要があった。ケーブルに必要な高さを確保するために、海峡の各岸に鋼鉄塔を建設し、2つの塔のケーブル支持ポイント間の距離が4,427フィート離れたポイントとした。岸が水面から急速に上がるため、1つの鋼鉄塔の高さを65フィート、もう1つを225フィートとした。これらの2つの塔間に4本の鋼鉄ケーブルを吊り下げ、各ケーブルは19本の亜鉛メッキ鋼線ストランドで構成され、外径7/8インチ、スパンで7,080ポンドの重量である。各ケーブルの破断強度は98,000ポンドで、No. 2銅ワイヤの電気伝導度を持つ。ケーブルは塔で鋼鉄ローラーで単に支持され、各ケーブルの12トンの引っ張りは各塔の後ろの距離のアンカレッジで受け止められ、ケーブルがそこで終端する。各アンカレッジは地面に深く埋め込まれた大型セメントブロックで、アンカーボルトが通っている。各ケーブルは一連のストレイン絶縁体を通じてアンカレッジに固定され、通常の銅とアルミニウムの線ケーブルは各アンカーのストレイン絶縁体の上に建てられたシェルターのすぐ外で鋼鉄ケーブルに接続される。鋼鉄ケーブルは、その金属で得られる大きな引張強度のため、海峡の長いスパンに使用された。このスパンは、高電圧電気送電でこれまで建設された最長で最高のものである。
1つの事例で、90フィート高で1,000フィート離れた鋼鉄塔をポール線路の代わりに置き、塔から塔にワイヤを張るよう提案された。そのような建設は絶縁の難しさを増し、木製ポール線路より初期コストが高い。問題は、鋼鉄塔の低い維持と減価償却率がポールと比較した欠点を相殺するかどうかである。ポール線路はトランジットで杭打ちし、同じ機器で各ポールを垂直位置にし、線に合わせられる。木製ポールは高電圧送電線路のほとんどの場合で使用される。鉄ポールは、高電圧で電流を送電中の回路で作業を危険にする。鉄ポールでは欠陥絶縁体が鉄への連続アークでそのポイントの導体を破壊する可能性がある。
[イラスト: FIG. 83.–スピア滝とシェネクタディ間の線路の特殊構造。]
国々の異なる地域でポールに使用される木材の種類は変化する。ニューイングランドでは、栗のポールが好まれ、ニューハンプシャーの上記80.3マイルの送電線路で使用された。杉のポールはカナダを含むほぼすべての地域でいくらか使用される。トウヒと松のポールは特に50フィート以上の長さでいくらか使用される。ロッキー山脈地域とカリフォルニアでは、オレゴン、ワシントン、アイダホの森林からの丸い杉ポールが多用される。エレクトラ発電所とサンフランシスコ間の147マイル線路には、大木の幹から鋸で切られた赤杉ポールが建設された。コルゲートとオークランド線路にはオレゴン杉ポールが選ばれ、カノン・フェリーとビュート間の送電にはアイダホの杉ポールが使用された。送電回路では、ほとんどのポイントでポールを非常に長いものではなく非常に強いものにすることがはるかに重要である。ワイヤや障害物を高電圧回路で渡る場所では、ポールはこれらの回路を他のすべてよりはるかに上に運ぶのに十分長いべきである。障害物を避ける必要のない開けた田舎では、35フィートより長いポールを使用するのは得策ではない。
[イラスト: FIG. 84.–ニューヨーク州サラトガでの30,000ボルト線路によるデラウェア・アンド・ハドソン鉄道軌道の横断。]
短いポールは風にさらされる表面が少なく、風圧が地面でポールを折るレバーの長さはポールの長さで減少し、ポールが短いほど支柱とガイワイヤへの負担が小さい。ポールが30または35フィートだけなら、過度のコストなしで直径を大きくできる。一般に、トップが7インチ未満のポールを使用すべきではなく、このトップのポールは3本以上のワイヤを運ぶべきではない。7または8インチトップで30フィート長のポールは、尻の直径が12インチ以上であるべきである。長いポールでは、60フィート長の丸ポールで少なくとも18インチまで尻の直径を増やす。
上記のニューハンプシャー送電ではポールの標準長は35フィートである。カノン・フェリーとビュート間の線路ではポールは35から90フィート長である。コルゲートとオークランド線路で使用された丸い杉ポールは25から60フィート長、トップ直径8から12インチ、尻直径12から18インチである。エレクトラとサンフランシスコ間の線路の四角く鋸で切られた赤杉ポールの寸法は、1902年のエジソン・イルミネーティング・カンパニーズ年次大会で読まれた論文で報告されている。
+——-+——-+—————+———-+
|高さ、 | トップ、| 尻、 | 地面 |
| フィート。|インチ。| インチ。 |深さ。 |
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| | | | |
| 35 | 7 × 7 |12 × 12 | 5.5 |
| 40 | 8 × 8 |13-1/2 × 13-1/2| 6 |
| 45 | 9 × 9 |15 × 15 | 6.5 |
| 50 |10 × 10|16 × 16 | 7 |
| 60 |11 × 11|17 × 17 | 8 |
+——-+——-+—————+———-+
これらのポールの相対寸法は興味深い。なぜなら、大木の幹から鋸で切られたため、トップと尻で任意の望ましい測定値を持つことができるからである。これらのポールは、線路の大部分で上記の471,034サーキュラー・ミルのアルミニウムケーブル3本を運ぶ。地面に設置されるポールの深さは、25または30フィートポールで約5フィートから、60フィート長ポールで8フィートまでである。土壌が非常に柔らかい場所やポールが重い負担に耐える場所では、穴をポールの尻直径より2フィート以上大きく掘り、ポールを穴に入れた後、尻の周囲にセメントコンクリート（測定でポートランドセメント1部、砂3部、破砕石5部）を充填することで各ポールの安定性を大幅に増すことができる。ポールの尻は地面線から1フィート以上上まで、建設前に熱いタール、ピッチ、アスファルト、またはカルボリネウムで処理されることが多く、ソルトレイクシティではポールが穴に入った後、尻周囲に塩を使用すると言われる。
場合によっては送電線路のポールが全長に塗装される。ポールのトップは常に水を流すために尖ったりくさび形にし、塗料やタールを塗布すべきである。場合によってはポールが鉄製レトルトで原油または他の防腐化合物で満たされ、空気を排気して水分を除去し、乾蒸気で処理した後、油圧で化合物が押し込まれる。
好ましい土壌では杉ポールは20年かなり健全に保たれ、栗ポールはその半分以上、トウヒと松は約5年である。40フィートまでのポールはパイクポールで簡単に設置できるが、それよりはるかに長い場合、デリックが時間と労力を節約する。デリックは設置されるポールの長さの半分少し以上であるべきである。
[イラスト: FIG. 86.–シャンブリー-モントリオール線路がリシュリュー川を渡る。]
ポールは線路の方向に重大な変化があるすべてのポイントでガイまたは支柱され、長く直線的な区間では約5本ごとにポールが両方向にガイまたは支柱され、線ワイヤが切断または破断された時のポールの後退を防ぐ。木製支柱のためのスペースがある場所、例えば私有通行権では、より実質的な性質とそれにより得られる高い絶縁の安全性のため、ガイの代わりに使用すべきである。通常のストレイン絶縁体は非常に高電圧で運転する線路で信頼できないため、ガイを使用する場合、4 x 6インチの木材をガイの各端に巻き付け、10から20フィート長のストレイン絶縁体として使用できる。ガイまたは支柱はポールの下部クロスアームの下によく来て、取り付けポイントでポールが折れるのを避ける。
ポールが重い回路と複数のクロスアームを持つ場合、最低アームの下にガイまたは支柱を付け、ポールトップ近くにもガイを付けることが望ましい場合がある。亜鉛メッキ鉄または鋼線はガイに最適な素材で、ケーブル形式は固体ワイヤより強度が高く柔軟である。
[イラスト: FIG. 87.–シャンブリー発電所とモントリオール間の線路のクロスアームと絶縁体。]
エレクトラとサンフランシスコ間の送電線路、60,000ボルトで運転予定では、ガイの使用を主に避け、代わりに支柱を使用した。ガイを使用しなければならない場合、6 x 6インチで20フィート長の木製ストレイン絶縁体を挿入した。
ポール線路のポール上のクロスアームの数と間隔は、各ポールが運ぶ回路の数とワイヤの望ましい距離で規制される。以前は単一のポール線路に2つ以上の回路を運ぶのが一般的だったが、今は各ポール線路に1回路だけを与え、各ポールに電力ワイヤ用のクロスアーム1本だけ、ただし電話回路用の小さいクロスアームを電力ワイヤの下数フィートに置くのが頻繁な慣行である。各ポール線路に送電回路が1つだけの場合、通常1本のワイヤをポールトップに置き、他の2本を単一クロスアームの反対端に置く。ナイアガラ滝とバッファロー間の送電の古いポール線路は、電力ワイヤ用にポールごとに2本のクロスアームを運び、これらのクロスアームは2フィート離れている。各クロスアームはイエローパインで、長さ12フィート、断面4 x 6インチで、4つの3線回路を運ぶ予定だったが、2回路だけがこれらの2クロスアームに建設された。この同じ送電の後のポール線路では、各ポールは2本のクロスアームを運び、上部は4本、下部は2本のワイヤ用で、ポールの各側に1つの3線回路を張り、上部に2本、下部に1本を正三角形の形で張る。カノン・フェリーとビュート、コルゲートとオークランド、エレクトラとサンフランシスコ間のポール線路はすべてポールごとに電力ワイヤ用のクロスアーム1本だけがあり、各場合の回路の3番目のワイヤはポールトップに取り付けられ、3本の導体が正三角形の角にある。
この導体の相対位置は、必要に応じて転置を容易にする。カノン・フェリーからビュートへの線路ではクロスアームは各々長さ8フィートで、ピン用の穴が78インチ離れ、トップから5フィート10.5インチでポールに取り付けられる。クロスアームのゲインはポールが上げられる前に1から2インチ深く切られ、クロスアームとポールのゲイン中央に3/4または7/8インチボルト用の穴を1つ穿つ。各クロスアームはポールとクロスアームを完全に通る単一ボルトで取り付け、クロスアーム隣に直径約3インチのワッシャーを置く。1本の大きな貫通ボルトは2本の小さいボルトやラグスクリューよりポールとアームを弱くせず、アームの交換がボルト1本だけ除去で容易になる。線路の交互のポールはクロスアームを反対側にボルト止めし、角では二重アームを使用すべきである。
イエローパインはクロスアームの好ましい木材だが、他の種類も使用される。断面積が5.5 x 4.5インチ未満はほとんど望ましくない。高電圧線路で必要な大型で長いピンはクロスアームの断面積を増やす傾向がある。エレクトラとサンフランシスコ間の線路、471,034サーキュラー・ミルのアルミニウムケーブル3本を運ぶでは、オレゴンパインのクロスアームは各々6 x 6インチ断面である。小さいクロスアームの標準寸法は4.75 x 3.75インチだが、これらのアームが長い送電作業に十分強いかどうかは疑わしい。クロスアームは全面を表面処理し、水を流すためにトップを1/4から1/2インチ冠状にする。窯乾燥後、クロスアームは木材を保存し高い絶縁特性を与えるためにアスファルトまたは亜麻仁油で煮沸すべきである。5フィートより長いクロスアームは、各アームの下の距離のポールから始まり、アームのポールと各端の中間点まで延びるブレースで固定すべきである。
[イラスト: FIG. 88.–ケベック州シャンブリー発電所のテールレースとポール線路。]
各ブレースは断面約1.5 x 0.25インチの平鉄棒、またはアームの両端のブレースは適切な形状に曲げられた単一のアングル鉄で作れる。高電圧線路では、いかなる種類の鉄ブレースも望ましくない。なぜなら、これらのブレースが絶縁体とワイヤが取り付けられたピンに近すぎる低抵抗経路を形成するからである。硬木のブレースは絶縁がはるかに良く、電圧50,000のビュートとカノン・フェリー間の線路でメープルの4インチ木材が使用されている。その線路の各ブレースは長さ36インチ、幅3インチで、1端がポール中央にボルト止め、もう1端がポール中央から23インチのクロスアームに固定される。
エレクトラからの線路は木製ピンで固定された硬木ブレースを持つ。
木材は高電圧送電回路の絶縁体をマウントするピンに最も一般的な素材である。鉄はピンにいくらか使用され、使用が増加している。オークとローカストのピンが一般的に使用され、後者が強く長持ちする。カリフォルニアではユーカリのピンが多用され、ローカストより強いと言われる。すべての木製ピンはよく乾燥後、数時間亜麻仁油で煮沸すべきである。これによりピンの絶縁と耐久特性が増す。
高電圧線路は絶縁体の下縁をクロスアームのはるか上に保持するための長いピンを必要とし、これらのピンはワイヤの増加したレバーにより通常線路よりはるかに強いものでなければならない。
全長12インチ、直径1.5インチの部分がクロスアームに入るピンが送電回路で多用されたが、高電圧では短く弱すぎる。カノン・フェリーとビュート間の50,000ボルト線路ではピンはパラフィンで煮沸された熟成オークである。これらのピンの各々は長さ17.5インチ、中央の最大部で直径2.5インチで長さ4.5インチ、中間部で長さ4.5インチ、直径2インチで長さ5.5インチがクロスアームまたはポールトップに適合、上部の絶縁体内ネジ山で直径1.5インチである。これらのピンは絶縁体の外縁をクロスアームトップから9インチ上に保持する。これらのピンの各々はピンとクロスアームまたはポールトップを完全に通る3/8インチボルトでソケットに保持される。
エレクトラとサンフランシスコ間の線路ではピンは各々長さ16.875インチ、中央最大部で直径2.75インチ、下部で直径2.25インチ、長さ5インチがクロスアームまたはポールトップに適合する。これらのピンの1つがネジ部に2,200ポンドの引っ張りで肩で折れた。直径1/2インチのキャリッジボルトがアームトップから2インチのクロスアームとピンを通り、各側でピンから3インチの1本。これらのボルトなしでアームはピンに1,200ポンドの引っ張りでテストで分裂したが、ボルトありでピンが上記のように折れた。
第十九章
電気送電線路の入り口。
送電線路の発電所と変電所への入り口は、建設と絶縁の特別な問題を提示する。これらの問題の1つは、各導体が駅の側壁または屋根を通るポイントでの機械的安全性に関するものである。導体は時々、駅に取り付けられ、線路の負担が進入する側壁に負担され、壁を線から引き抜く傾向がある。
この慣行は、利便性を除けば推奨される点がほとんどなく、導体がかなり小さいか、駅の壁が異常に重い場合を除けば、前者の引っ張りが後者を時間とともに膨らませる可能性がある。重い線路の場合、最終的な端負担はしっかりと固定されたアンカーで最も適切に受け止められる。導体がそのようなアンカーに直接固定される場所では特殊絶縁体を使用する必要があるため、線路の端に二重クロスアーム付きの1本以上の重いポールを設置し、これらのポールを大型支柱またはアンカーに取り付けたガイで固定するのが通常より便利である。これらの端ポールの余分な重いクロスアームには、線絶縁体用の鉄ピンを備え、数フィート以内にこのように取り付けられた絶縁体2つ以上が、各ワイヤに対して、ほぼすべての線路の端負担に耐える。
この方法で線路の端負担を受ける絶縁体は、ワイヤの取り付けを側面で許容し、各導体による力が絶縁体のトップを引き抜くのではなく、絶縁体をピンの側面に押し付ける傾向があるべきである。線路の端負担が駅近くのポールで受け止められた後、導体は壁の絶縁体に取り付けられ、後者は機械的負担がほとんどない。
架空線路は通常駅の側壁の1つを通って入るが、屋根に入ることもある。建物の切妻端の側壁入り口が、軒下の側壁よりはるかに水滴が多いため、望ましい。軒下に入らなければならない場合、入り口の上にシェルターを提供し、このシェルターの屋根にワイヤから水を運ぶ溝を備えるべきである。
駅への各導体の入り口は、回路の十分な絶縁を維持する方法で実施され、場合によっては雨、雪、風を排除するように保護される。線電圧と駅の位置する気候は、特定の事例で適切な入り口の形態に重要な影響を与える。
高電圧線路の最も簡単な入り口形態は、各ワイヤの壁を通る十分な開口部、通常円形である。壁の内外両側に各ワイヤの絶縁体を提供し、この開口部の中央にワイヤを保持すべきである。そのような絶縁体は壁の両側に取り付けた固定具で最も便利に支持され、外側の絶縁体は雨と雪から完全に保護されない限り、直立位置に保つべきである。
壁を通る開口部の直径は、雪、雨、霧、または塵の最悪の条件下でワイヤと壁間の電流の目に見える放電を防ぐのに十分大きくすべきである。そのような開口部は、線電圧で直径が増加しなければならない。これらの線ワイヤの開口部が大きいほど、雨、雪、塵、冷気を通じた駅への侵入機会が大きい。
開口部は壁の外側にシェルターを置くことで雪と雨を防ぐように保護できるが、そのようなシェルターは冷気を防げない。ワイヤ入り口の開口部が空気爆風変圧器を含む部屋の壁に位置する場合、非常に高電圧回路の開口部の面積は、変圧器からの熱気の逃げを許すのに必要なものより大きくない可能性がある。
気候が穏やかであれば、他の要因が同じなら、駅に入る回路の電圧が高く、空気の移動が自由な開口部が許容される。電圧が中程度、例えば15,000未満の場合、米国で最も寒い地域でも完全に自由な開口部を通じて駅にワイヤを入れるのはかなり実用的である。20,000から60,000ボルトの場合、国の寒い地域では、各ワイヤが入る壁の開口部を絶縁材のディスクで閉じる必要があることが多い。
これらのディスク上の電流漏れを適切な範囲内に抑えるために、ディスクの直径は回路の電圧で増加しなければならない。このディスク直径の増加は明らかにディスク表面の漏れ電流経路を長くする。高電圧回路の入り口のための壁の開口部がワイヤ周囲の絶縁ディスクで閉じられる場合、これらのディスクは裸ワイヤと実際に接触するか、各入り口のワイヤに特殊絶縁がある可能性がある。
ニューハンプシャー州マンチェスターの変電所の側壁では、4つの水力発電所からの送電線路の入り口が、レンガ工事に組み込まれたスレートスラブの円形開口部で提供される。3つの水力発電所からの送電回路は10,000から12,000ボルトで運転され、4番目の発電所の回路は約6,000ボルトである。スレートスラブの円形開口部は各々直径5インチで、中央間12から15インチ間隔である。各開口部を通じて単一のワイヤが入り、壁の内外両側の絶縁体で中央に保持される。各ワイヤはスレートスラブを通る場所で裸で、円形開口部はどのような方法でも閉じられない。これらのスレートスラブの5インチ円形開口部を通る最大のワイヤは固体銅のNo. 0で、各々直径0.325インチである。
スレートスラブの開口部を通る前に、これらの送電回路のワイヤは鉄ブラケットでレンガ壁の外側に固定されたクロスアームで支持された通常の線絶縁体に結ばれる。各ワイヤの絶縁体への取り付けポイントは、変電所に入る円形穴の中央の下約9インチである。
このマンチェスター変電所は、空気爆風変圧器を備え、熱気が送電線路が入る同じ部屋に排出される。変電所の1側に沿って、高電圧線路の入り口のためのスレートスラブの5インチ円形開口部が27あり、変電所のもう1側に配電回路のためのより多くの小さい開口部がある。空気爆風変圧器がなければ、これらの開口部のすべてがマンチェスターのように寒い気候で望ましいより多くの空気を入れるだろう。
駅の壁の開口部のもう一つの例は、サンタアナ川とカリフォルニア州ロサンゼルス間の33,000ボルト線路で、建物の内外間の空気の自由な移動がある。この場合、各線ワイヤのために直径12インチの排水管が駅の壁に組み込まれ、このサイズの自由な開口部が内外にできる。
33,000ボルト回路の各ワイヤはこれらの12インチ管の1つの中央を通って駅に入り、あらゆる側で6インチの空気に囲まれる。ロサンゼルス近郊の気温がゼロ以下になることはほとんどないため、これらの大きな開口部は異議のある空気を入れることはない。この穏やかな気候に加え、空気爆風変圧器が12インチ開口部を持つ駅の好ましい特徴を追加する。
しかし、非常に高電圧のワイヤ入り口の開口部が駅の内外間の空気の自由な移動を許す別の事例では、気候は寒く、冬の気温が零下30度以下になる。この条件は、アップル川滝とセントポールの25,000ボルト線路で存在し、No. 2ワイヤ6本が避雷器のある小さな拡張部のレンガ側壁の単純な円形開口部を通って発電所に入る。空気爆風変圧器はこの避雷器ハウスに隣接した駅の端に位置するが、それらの熱気がワイヤの開口部を通って逃げるかは確かではない。
上記のように寒い気候の別の事例では、ギャラリーが地面からある距離の駅の外側の1側に沿って建設され、高圧線路の各ワイヤに2つの開口部が提供される。これらの2つの開口部の1つはギャラリーの水平床にあり、外側からのワイヤ入り口を許容し、もう1つはギャラリーが建設された駅の側壁にある。各ワイヤの2つの開口部が直角で、外気への開口部が水平位置で風から保護されるため、許容される量以上の冷気が駅に入ることはないと言われる。
中程度の電圧、例えば10,000から15,000の線路の場合、25,000ボルト以上の線路の大多数の場合では、高圧ワイヤの入り口は完全に閉じられる。この慣行の例は、ニューハンプシャー州ポーツマスとペルハムの12,000ボルト線路に沿ったニューハンプシャー・トラクション会社の各種変電所で見られる。
これらの線路の各ワイヤの入り口のために、変電所のレンガ壁に16インチ正方形の開口部が作られる。この壁の外側に、並んで位置する3つ以上のグループの開口部周囲に箱が建設される。この箱のトップまたは屋根はスレート石の3インチ厚スラブで形成され、壁にセットされ、壁面から26インチ延び、水平からわずかな傾斜がある。
この箱の端、底、外側は1インチ厚のスレートスラブで形成され、囲まれた空間はこの建物に直角の垂直断面で高さ15.5インチ、幅22インチの面積を持つ。
[イラスト: FIG. 89.–建物に入るケーブル。]
この箱の底には各ワイヤの円形開口部があり、この開口部にワイヤが通る重いガラスまたは磁器ブッシングが適合する。箱の内側に到達した後、ワイヤは直角に曲がり、16インチ正方形の開口部を通って変電所に入る。箱の底のブッシングを通って運ばれる前に、各線ワイヤの下に鉄ブラケットでレンガ壁の外側に特殊絶縁体が固定され、この絶縁体はワイヤの負担を受ける。この入り口形態は、駅から冷気を排除したい場合、電圧がブッシング表面と箱の底を形成するスレート上の深刻な漏れを引き起こさないほど高くない場合に許容される。上記のすべての事例で、駅に入るワイヤは外側のように裸の通常の線導体であった。
変電所の入り口のもう一つのタイプは、ニューヨーク州スピア滝、シェネクタディ、アルバニー間の広範な送電システムで使用される。このシステムの最大電圧は30,000で、線路は通常各変電所の切妻端の1つのレンガ壁を通って入る。外側で各回路または回路グループの入り口周囲に、変電所のレンガ壁に木製シェルターが建設される。各シェルターは、レンガ壁から線入り口の開口部の上にある距離から始まり、溝で終わる傾斜屋根を持つ。各シェルターの前部はレンガ壁の開口部の中央の下3フィートまで下げられ、端はさらに低い。各シェルターの前部は高さ4フィート、レンガ壁面から4フィートで、送電線路の各ワイヤの直径10インチの円形開口部を持つ。
木製シールドの各円形開口部に沿って、変電所のレンガ壁に直径15インチの開口部があり、このレンガ工事の開口部に外径15インチ、内径11インチの木製リングが適合する。この木製リングに1/8インチ厚の硬質繊維の15インチディスクが固定され、長さ24インチ、内径2インチの磁器管がこのディスクの中央の穴を通る。木製シールド内でそれに沿って各円形開口部と対応する繊維ディスクを通る磁器管に線絶縁体が固定される。変電所内で各管に沿って絶縁体もあり、各管の反対端近くの2つの絶縁体がそれを通る線ワイヤを位置に保持する。
最大の固体No. 000で直径0.410インチの送電線路の各ワイヤは、木製シールド内の絶縁体の1つで終端し、そこに磁器管を通って変電所に入る特殊絶縁ワイヤに接続される。裸の線ワイヤと磁器管を通る絶縁導体間の半田接続に長さ12インチの銅トロリースリーブを使用する。これらの入り口ケーブルの各々は、サイズにかかわらず、まず厚さ9/32インチのゴム層、次に厚さ9/32インチに巻かれたニス塗りカンブリック、最後にカンブリックの外側に2層の耐候性編組で絶縁される。この送電線路の閉鎖入り口形態は、明らかに駅から雪、雨、冷気、塵を排除する。繊維ディスクと木製リングが、入り口ケーブルの絶縁と共に、入り口のガラスディスクほど望ましいかは別の問題である。
高圧線路の入り口が可燃材の助けで閉じられるもう一つの事例は、リシュリュー川のシャンブリー発電所とモントリオールの変電所の25,000ボルト送電である。この線路の4つの三相回路は、各々直径0.365インチのNo. 00ワイヤで構成され、外側のように裸でシャンブリーの発電所とモントリオールのターミナルハウスに入る。
線路の各端でワイヤは、駅またはターミナル建物の端壁の外側22インチの中心で水平アームの絶縁体に固定される。絶縁体は中心間30インチで取り付けられ、これらの絶縁体のトップの上数インチに、対応する木製ブッシングの列が外向きの傾斜で壁を通る。
線路のシャンブリー端ではこれらのブッシングの各々はステアリンで煮沸されたオークで、直径4インチ、長さ12インチである。モントリオール端では壁ブッシングはツゲで、各々4インチ正方形で長さ12インチである。これらの木製ブッシングの各々はガラス管を運び、それ自体が位置する壁のコンクリートで保持される。各裸のNo. 00ワイヤの駅への入り口はこれらのガラス管の1つを通じ、冷気が排除される。
送電線路のワイヤの閉鎖入り口のかなり異なるタイプは、50,000ボルトで運転されるショーウィニガン滝とモントリオールの間で使用される。この線路を構成する3本のアルミニウムケーブルの各々、各ケーブルが7本のNo. 6 B. & S.ゲージワイヤで構成され、駅壁に直径24インチのタイル管がセットされる。各タイル管の端は中央に小さい穴のあるガラスプレートで閉じられ、ケーブルが通る。
ケーブルがテラコッタ管から全周12インチ保持されるため、電流の漏れは各ケーブルでこの長さのガラス表面または空気を通る。
これらのプレートに厚い霜のコーティングが時々集まり、これによりそれらの漏れ電流量が増加する。このような場合の表面漏れはもちろんガラスプレートのサイズで変化し、タイル管を使用する場合サイズの限界がすぐに達する。
しかし、望ましい寸法のガラスプレートを各線ワイヤのために駅のレンガ壁に直接セットし、タイル管を完全に省略できない良い理由はないようである。この計画は、ユタ州ソルトレイクシティ、オグデン、プロボ、その他のポイントに広がるユタ・ライト・アンド・パワー社のシステムで採用される。
そのシステムの40,000ボルト線路では、各ワイヤの入り口がレンガ壁に2枚のガラスプレートをセットし、1枚が内表面、もう1枚が外表面と揃うことで提供される。
各プレートの中央に直径約2.5インチの穴があり、ガラスまたは磁器管が適合する。線ワイヤはこの管を通って駅に入り、建物の外側にガラスプレートのシェルターが位置しないようである。このタイプの入り口は、マーフィー製粉所の切妻端のレンガ壁で、嵐の大部分が来る南西向きだが、4年間満足な結果を与えたと言われる。この入り口では各ガラスプレートは直径18インチ以下で、ワイヤは約4フィート離れている。同社の16,000ボルト線路では、中央に3/4インチの穴のある12インチ正方形のガラスプレートで、裸ワイヤが管なしで通り、完全に満足な結果を与えた。
モンタナ州カノン・フェリーとビュートの50,000ボルト線路では、駅への入り口の2つのかなり異なるタイプが使用される。1つのタイプは、波形鉄建物の側壁で使用され、パラフィン木の厚いブッシングで、直径2インチ、長さ4フィート、側壁5/8から3/4インチのガラス管を運び、線導体が通る。
カノン・フェリーの発電所の屋根では、50,000ボルト回路で垂直入り口が作られる。この目的で各線ワイヤは屋根の木材固定具で運ばれる3つの絶縁体のデッドエンドに導かれる。各線ワイヤから垂直タップが落ち、屋根を通って駅に入る。この屋根は木製で、外側にスズ、内側にアスベストが張られる。各タップは絶縁ワイヤで、さらに絶縁の洗練された方法が採用され、水がワイヤに沿って屋根を通って下るのを防ぐ。
入り口ポイントの上に中央穴のある大型パラフィン木ブロックが座り、この穴を通って紙筒が下に通り、ブロックの上にある距離延びる。この筒のトップ端に木製ブッシングが適合し、厚いゴム層でサーブされたタップワイヤの長さがこのブッシングで密閉される。ゴム被覆部分のタップワイヤもブッシングの上に延び、水を防ぐために紙筒のトップに下る紙コーンがテープで固定される。この紙筒の外側、下のポイントに、水が木ブロックを通って筒に沿って下るのを防ぐより大きな紙コーンが取り付けられる。駅内の紙筒の下端に木製ブッシングがあり、このと筒トップの木製ブッシングの間と紙筒の内側に長いガラス管がある。この管を通って絶縁タップワイヤが駅に入る。
高電圧線路でこれまで得られた経験から、入り口は屋根を通って下る強制的な理由がない限り、常に側壁であるべきである。気候条件が許す場合、壁を通る単純で十分な開口部、各ワイヤ周囲の大きな空気空間より信頼できる入り口形態はない。開口部を閉じなければならない場合、レンガ壁に直接セットされた1枚以上の厚いガラスプレートの大型プレートでする方が良い。各ワイヤのガラスプレートの中央穴を通る場所で長いガラスまたは磁器管を置くことで追加絶縁が得られる。各導体は線路のように入り口で裸であるべきである。上記の送電線路入り口の既存慣行のいくつかはA. I. E. E.第22巻から取られた。
第二十章
絶縁体ピン。
木製絶縁体ピンは、電気送電システムの最も弱い要素の一つである。線電圧が上昇するにつれ、絶縁体の外側ペチコートとクロスアーム間の距離を増やし、絶縁体自体を長くする必要が生じ、導体間の電流漏れを許容範囲内に抑えるためである。漏れを低減するため、ほとんどの線路でワイヤは絶縁体の側面ではなくトップに位置するようになった。
これらすべてが、線ワイヤの負担がより長いレバーで作用するため、絶縁体ピンがクロスアームに入るポイントで破断する機械的負担を大幅に増加させる傾向がある。また、送電線路が川や他の場所で長いスパンを作る必要があり、これらの場所で絶縁体ピンに非常に異常な負担がかかる場合がある。
各電気システムが単一の都市や町に限定されている限り、破損した絶縁体ピンは迅速に交換でき、そのような原因によるサービスの重大な中断はあり得なかった。しかし、都市の照明と電力供給が長い送電線路に依存する場合、現在多くの事例でそうであるが、線電圧が非常に高く、ワイヤとクロスアーム間の接触が後者を急速に焼損させる場合、破損したピンはサービスの深刻な中断を容易に引き起こす。
絶縁体ピンの機械的負担の増加に加え、絶縁体上の電流漏れによる炭化、焼損、その他の崩壊形態による木製ピンの破壊の危険がある。この危険は、線路がローカルで中程度の電圧で運転される限り、大多数の場合で全くなかった。これらのいくつかの要因が組み合わさり、設計に顕著な変化をもたらしている。
送電線路の直線部分では、絶縁体ピンは2つの主な種類の負担を受ける。一つは絶縁体と線ワイヤの重量に直接起因し、垂直に作用してピンをクロスアームに押し下げることでピンを圧壊する。もう一つは線ワイヤの水平引っ張りで、しばしば氷の被覆や風圧で大幅に増加し、曲げによりピンを破断させる傾向があり、最も頻繁にクロスアームに入るポイントである。ピンの負担の小さいものは、2つの高いポールの間に短いポールが設置され、短いポールでの線路が各絶縁体をピンから、各ピンをクロスアームから持ち上げる傾向がある。
線路が方向を変える場所、曲線や角では、ピンの側面負担が大幅に増加し、そのような場所がピンの破断による最大のトラブルを引き起こす。後者は支持する線路の重量による圧壊で失敗することはほとんどない。なぜなら、曲げ負担に耐えるのに必要なピンのサイズが圧壊強度として大きな安全率を持つからである。絶縁体は時々木製ピンから持ち上げられ、上記のように短いポールを使用する場合、これらのピンのネジ山が剥がれるが、この種の失敗は一般的ではない。
鉄ピンは絶縁体にねじ込まれるかセメントで固定されるが、セメント接合がはるかに望ましい。なぜなら、ねじ接合の場合、鉄とガラスまたは磁器の不等膨張が絶縁体の破損を引き起こす可能性があるからである。セメントを使用する場合、ピンと絶縁体の両方にネジ山または何らかの肩を提供し、ネジ山の肩が互いに接触しないものの、それでもより良い保持を助けるようにすべきである。純粋なポートランドセメントを水で濃い液体に混ぜて使用し、絶縁体を逆さまに置き、セメントを注ぐ間にピンを絶縁体の穴の中央位置に保持するのに成功した。同じ目的で使用されたもう一つのセメントは、リサージュとグリセリンの混合である。溶融硫黄も利用可能である。
絶縁体をピンから持ち上げる傾向のある同じ力が、ピンをクロスアームまたはポールトップのソケットから引き抜く。木製ピンの場合、古くからの習慣はクロスアームの側面に釘を打ち込み、ソケット内のピンのシャンクに入れることである。この計画は即時の機械的強度に関しては十分良いが、ピンを除去する時に釘を除去するのが難しく、釘の錆が木材を腐らせるため望ましくない。より良い計画は、各クロスアームと絶縁体ピンをピンのシャンクに直角に完全に通る小さい穴を持ち、小さい木製ピンを側面から側面まで完全に打ち込むことである。
絶縁体ピンの負担に影響する重要な要因のいくつかは、木製ピンが使用される以下の線路の表からわかるように、異なる送電線路で大きく変化する。ナイアガラ滝とバッファロー間の古い線路では、通常のスパン長は70フィートで、各350,000サーキュラー・ミルの銅導体はクロスアームの上7.5インチで絶縁体に取り付けられる。新しい線路ではスパン長は140フィートで、各500,000サーキュラー・ミルのアルミニウム導体はクロスアームの上10インチで絶縁体に取り付けられる。
表I.–木製ピン上の線路のデータ。
+—————————-+————-+———–+————-+
| |サーキュラー・ミル|スパン長 |ワイヤから |
|線路の場所。 | 各導体。 | ポール間|ピンのシャンク|
| | | (フィート)| まで(インチ)|
+—————————-+————-+———–+————-+
|コルゲートからオークランド | [B]133,100 | … | 13 |
|エレクトラからサンフランシスコ| [A]471,034 | 130 | 15 |
|カノン・フェリーからビュート| [B]105,600 | 110 | 13-1/2 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| [A]183,750 | 100 | 16-1/4 |
|ナイアガラ滝からバッファロー| [B]350,000 | 70 | 7-1/2 |
|ナイアガラ滝からバッファロー| [A]500,000 | 140 | 10 |
|シャンブリーからモントリオール| [B]133,100 | 90 | 8-1/2 |
|コルゲートからオークランド | [A]211,600 | … | 13 |
+—————————-+————-+———–+————-+
[A] アルミニウム導体。
[B] 銅導体。
表II.–木製ピンの寸法(インチ)。
+———————–+——+——+——+——+——–+——–+
| |ステム|シャンク|シャンク|ショルダ|ネジ山 |ネジ山 |
| 線路の場所。 |の長さ|の長さ|直径 |直径 |端の直径|部分の長さ|
+———————–+——+——+——+——+——–+——–+
|コルゲートからオークランド|10-3/8| 5-3/8| 2-1/8| 2-1/2| 1-3/8 | 2 |
|エレクトラからサン | | | | | | |
|フランシスコ |12 | 4-7/8| 2-1/4| 2-3/4| 1-3/8 | 2 |
|カノン・フェリーからビュート|12-1/2| 5-1/8| 2 | 2-1/2| 1-1/8 | 3 |
|ショーウィニガン滝から | | | | | | |
|モントリオール |13-1/2| 5 | 2-3/4| 3 | 1 | .. |
|ナイアガラ滝から | | | | | | |
|バッファロー[A] | 5-1/4| 6 | 2 | 2-3/4| 7/8 | 1-1/2 |
|ナイアガラ滝から | | | | | | |
|バッファロー[B] | 7-3/4| 6 | 2-1/4| 2-3/4| 1-1/2 | 2-1/2 |
|シャンブリーからモントリオール[C]| 7 | 5 | 1-1/2| 1-7/8| .. | .. |
|カノン・フェリーからビュート[D]|12-3/8| 7-7/8| 2-1/8| 2-1/2| 1-1/8 | 3 |
+———————–+——+——+——+——+——–+——–+
[A] 古い線路のピン。
[B] 新しい線路のピン。
[C] 近似寸法。
[D] ポールトップピン。
スパン長を倍にし、より長いステムのピンを使用することで導入されたより大きな負担を補うため、新しいピンのシャンク直径を2インチに増加させた。コルゲートとオークランド間の1本の線路は銅、もう1本はアルミニウム導体だが、各々に同じピンが使用されているようである。モンタナ州カノン・フェリーとビュート間の線路では、ポールトップで使用されるピンはクロスアームで使用されるピンよりシャンクが2-3/4インチ長く、直径が1/8インチ大きい。表に含まれる最も弱いピンは、ヒッコリー木製でシャンク直径約1-1/2インチ、No. 00銅ワイヤをクロスアームの上8-1/2インチで運ぶシャンブリーとモントリオール間の線路で使用されるようである。
すべての送電線路で使用される標準木製絶縁体ピンの以下の寸法は、アメリカ電気工学協会のトランザクション第21巻235ページで提案されている。これらのピンは各場合で小さい端での均一な引っ張りに耐えるよう設計され、軸に直角である。各ピンのショルダーとネジ山端間の長さ(インチ)はLで表され、各ピンのシャンク直径はDである。
L. D.
1 0.87
2 1.10
3 1.26
4 1.39
5 1.50
6 1.59
7 1.67
8 1.75
9 1.82
10 1.88
11 1.95
13 2.06
15 2.17
17 2.25
19 2.34
21 2.42
表II.の2つの最も強いピンは、ショーウィニガン滝とモントリオール間の線路とナイアガラ滝からバッファローへの線路で使用されるようである。前者はシャンク直径2-3/4インチで、ワイヤはピンのショルダーの上16-1/4インチで運ばれる。新しいナイアガラ線路では各ピンのシャンク直径は2-1/4インチだけだが、線ワイヤはショルダーの上10インチだけである。テストで、このナイアガラピンの軸に直角で絶縁体のトップに2,100ポンドの負担が必要でシャンクで破断することがわかった。この負担は線路のサービスで発生する計算された最大負担の約6倍である。
ここで言及されたピンのいくつかは、上記の標準ピンの仕様で提案されたものよりはるかに強い。古いナイアガラ線路のピンはシャンク直径2インチでステム長5-1/4インチだけだが、提案されたシャンク直径2インチのピンはステム長11インチである。コルゲートとオークランド線路ではシャンク直径2-1/8インチがステム長10-3/8インチに対応するが、提案されたこのサイズのシャンクのピンはステム長13インチである。シャンク直径2-1/4インチでは提案されたピンはステム長15インチだが、エレクトラ線路のこの直径のシャンクのピンはステム長12インチだけである。
新しいナイアガラ線路のピンのシャンク直径2-1/4インチはステム長7-3/4インチだけに対応する。新しいナイアガラピンは提案されたピンのほぼ2倍強い。なぜなら、ピンの強度はシャンクがステムに接合する場所でステム長に反比例し、他のすべての要因が同じだからである。
ショーウィニガン滝線路のピンはシャンク直径2-3/4インチでステム長13-1/2インチだが、提案された最大のピン、ステム長19インチのものはシャンク直径2-1/2インチだけである。
良い工学の利益で、ステム長約5インチでシャンク直径1-1/2インチの木製ピン、およびそれより長い強度のピンを高電圧の長い送電線路で廃棄すべきであると言っても過言ではない。これらのピンは電信と電話線路、およびNo. 6 B. & S.ゲージワイヤまたはそれより小さいローカル照明回路で良いサービスを提供し、そのような作業に残すのが良い。
送電作業の条件を満たすためには、ピンの形状とサイズの両方の変更が必要である。まず、シャンクとステムが接合するピンのショルダー、電信慣行の遺物は完全に廃棄すべきである。この変更はシャンク直径のピンでかなりの木材を節約し、シャンクとステムの接合部の鋭い角を避けることでピンの強度を増加させる。
もう一つの設計変更は、木材の劣化、特に電流破断による炭化を考慮してピンのステムに強度の余裕を残すことである。このピントップ近くの直径と強度の増加は、木材を旋盤で削らない限り必要的にそこにあるため、コストがかからない。各ピンのシャンクは古いタイプより比例的に短く、ピン穴はクロスアームを部分的にのみ穿つべきである。これによりピンとクロスアームの木材を節約し、与えられた分裂抵抗でクロスアームのサイズを小さくできる。
これらの一般設計の変更で、ピンはシャンクで単純な円筒で、シャンクからステムを形成するための緩やかなテーパーである。この設計の例、標準ピンのラインの基盤としてよく機能するものは、直径2インチでシャンク長3-1/2インチ、シャンクから長さ5インチでテーパーし、トップ直径1-1/2インチである。このピンのクロスアームの穴は深さ3-1/2インチで、深さ4-3/4インチのアームではピンの下に1-1/4インチの木材が残る。ピン穴の下端からクロスアームの底まで直径1/4インチの穴を水を排出するために走らせる。この短いものと同じ線引っ張りに耐えるよう設計された長いピンのラインは、No. 1 B. & S.ゲージワイヤまでの小さい導体に十分強い。
より大きなワイヤ、長スパン、線路の鋭い角度では、直径2-1/4インチでシャンク長4-1/2インチ、5インチでテーパーしトップ直径1-3/4インチ、または等しい強度の長いピンを使用すべきである。
ピン穴がクロスアームを通らない場合、線ワイヤの重量を支えるピンのショルダーの必要はない。新しいナイアガラ滝線路のクロスアームでは各ピン穴は深さ5インチで掘られ、穴の下に1インチの木材が残る。エレクトラからサンフランシスコへの線路では各ピン穴の深さは再び5インチで、クロスアームの深さは6インチである。
エレクトラ線路で使用されるピンは、温度210°Fの亜麻仁油のバットで数時間保持された。ショーウィニガン線路のピンはステアリン酸で煮沸された。すべての木製ピンは化学処理されるべきだが、この処理の目的は特定の絶縁値を付与するのではなく、腐敗を防ぐことである。
木製ピンの強度の不足と一部の場合の電流漏れによる破壊が、鉄と鋼ピンの使用につながっている。ワシントン州スポケーンのワシントン・パワー社の線路で使用されるそのようなピンは、長さ17-1/2インチ、直径1-1/8インチの軟鋼棒で、一端にシャンクを鋳造し、全長18インチである。鋳鉄シャンクは直径2-1/16インチで、上端に直径2-1/2インチのショルダーがある。ピンが穴から持ち上がるのを防ぐために、小さいねじがクロスアームのトップに入り、シャンクのトップ端に当たる。鋳鉄シャンクの上に鋼棒の長さは12インチで、トップから3/4インチ下から長さ3/4インチの部分が直径1インチに旋盤加工される。
このピンはトップに1,000ポンドの引っ張りで曲がり始めるが、ひどく曲がっても絶縁体を安全に支持すると言われる。
絶縁体は電線からピンへの表面アークを抵抗し防ぐ可能性があるが、送電回路の導体間のピンとクロスアーム上の大きな静かなエネルギーの流れを許容する可能性がある。この方法で1つの線ワイヤからもう1つへの電流の流れ速度は、絶縁体表面と空気を通ったピンとクロスアームへの各経路の総抵抗、それからこれらの部分に依存する。
ピンとクロスアームが完全に鉄の場合、ワイヤからワイヤへの経路の総抵抗は実質的に絶縁体表面のそれである。ピンとクロスアームが乾燥した木材の場合、回路のワイヤ間の経路の総抵抗の顕著な部分を提供する可能性があるが、木材が湿っている場合、その抵抗は大幅に低減される。
絶縁体表面と空気の抵抗が回路のワイヤからワイヤへの経路を完成させるのに比べて木製ピンとクロスアームの抵抗が小さい場合、導体間の電流の流れを抑制するこれらの木製部分の効果は相対的に重要ではないが、これらのピンとクロスアームの抵抗は耐久性に影響する可能性がある。
高圧回路の1つのワイヤからもう1つへのピンとクロスアーム上の電流は、それらに均等に分布した場合、これらの木製部分を傷つけないほど小さい可能性があり、しかしこの同じ電流が狭い経路に限定された場合、木材を炭化または焼損する可能性がある。そのような漏れ電流は、ピンとクロスアームの特定の部分の表面が他の部分より抵抗がはるかに低い場合、自然に均等に分布されなくなる。なぜなら、電流は可能な複数の経路を抵抗の逆比で分岐して従うからである。
これらの木製ピンとクロスアームに沿った相対的に低い抵抗の狭い経路は、それらが引きつける電流自体によって加熱され炭化され、経路の導電性とそこで発生する熱が互いに増加し、木材の破壊に向かう。
ピンとクロスアームの一部を他の部分より良い導体にする原因として、汚れと水分が集まる木材の亀裂、特定の場所で風により木材に堆積される塩の混合した塵、海霧がピンとアームの片側だけに吹き付けられ塩を堆積するなどが挙げられる。
事態を悪化させるために、木製ピンとクロスアームに相対的に良い導電性の経路を作成する同じ原因が、しばしば絶縁体表面による漏れ電流の抵抗を大幅に低下させる。このように、回路のワイヤからワイヤへのエネルギーの通過速度の増加と、このエネルギーの木製経路の特定の部分への集中が、時々同時に引き起こされる。使用される線絶縁体が乾燥した木製ピンとクロスアームの抵抗が回路のワイヤ間の総抵抗の重要な部分を形成するように設計された場合、雨や濃霧が導体間のこれらの木製部分上のエネルギーの通過速度を非常に大きく増加させる可能性がある。
線導体に中程度の電圧だけが運ばれる限り、ピンとクロスアームの炭化と焼損は非常に珍しいことだったが、長回路で非常に高圧の適用により、漏れ電流の熱によるこれらの木製部分の破壊が送電システムへの深刻な脅威となった。低電圧でも、線絶縁体が非常に悪い場合や、天候と飛散塵の条件が十分に厳しい場合、ピンとクロスアームの炭化と焼損がある可能性がある。
アメリカ電気工学協会のトランザクション第20巻435から442ページと471から479ページでは、いくつかの送電線路のピンの炭化と焼損の記述があり、以下の例のいくつかがそこから取られた。
1つの事例では、ある化学工場の近くを走る線路がピンの焼損で多くトラブルを起こしたと言われ、電圧は440だけ、絶縁体は10,000ボルト回路用に設計された。雨天では絶縁体、ピン、クロスアームが化学堆積物から洗い流され、ピンの焼損はなかった。ユタ州の40,000ボルトプロボ線路のセクションで塩の混じった塵が絶縁体、ピン、クロスアームに堆積されるため、類似のトラブルが発生した。708ページでは、霧、塵、雨がピンの焼損を多く引き起こした2,000ボルト線路が言及されている。
回路が40,000から60,000ボルトで運転される場合、漏れ電流による木製ピンの深刻なトラブルを発生させるのに非常に厳しい気候条件は必要ない。たとえ長い回路でサービスに入った最大で最良のタイプの絶縁体が使用されても。この線に沿った印象的な例は、カリフォルニア州コルゲートとオークランド間の送電システムとエレクトラとサンフランシスコ間で見られる。これらのシステムの両方は60,000ボルトでエネルギーを送電するよう設計されたが、実際の運転圧力はサービスの多くの期間で約40,000ボルトに制限されたようである。
これらの送電線路の両方で単一のタイプとサイズの絶縁体が使用され、長い回路でサービスに入った最大のものの一つである。これらの絶縁体の各々は直径11インチで、下縁からトップまで高さ11-1/4インチ、線ワイヤは中央トップ溝で運ばれる。これらの2つの線路で使用される木製ピンはサイズが少し変化し、エレクトラ線路では各ピンがクロスアームの上11-1/2インチに立つが、コルゲート線路では対応する距離は12インチである。絶縁体は各場合同じサイズなので、各絶縁体の下縁とクロスアームトップ間のピンの長さはコルゲート線路で4インチ、エレクトラ線路で3-1/2インチである。
後者の線路では、絶縁体から完全に分離され接触しない磁器スリーブが、各ピンをクロスアームのトップから絶縁体の下縁の上ポイントまで覆う。コルゲート線路では各絶縁体がネジ山のトップから下2-1/2インチでピンと接触し、エレクトラ線路では各絶縁体のピンとの接触がネジ山のトップの下3-1/2インチまで走る。これにより、コルゲート線路では絶縁体接触と各クロスアームトップ間のピンの長さが9インチ、エレクトラ線路では対応するピンの長さが8-1/2インチになる。この8-1/2インチのピン表面のうち、約6インチがエレクトラ線路の各ピンに使用される磁器絶縁スリーブで覆われ、各ピンの長さの約2-1/2インチだけが絶縁体から直接空気を通じた電流漏れにさらされる。これらのピンのサイズは両方とも亜麻仁油で煮沸されたユーカリ木材である。
コルゲート線路のノース・トマーとコーデリア間のポールから取られた3つのピンの各々は、湿った海洋風に面した側でひどく炭化され焼損していた。この炭化は各ピンを絶縁体が接触するポイント、ネジ山の下少しから、下9インチのクロスアームトップまで延びていた。これらのピンの2つはクロスアームの反対端に位置し、3番目はポールのトップに固定されていた。このクロスアームはピンと同様に炭化または焼損されていたが、ピンが支持する絶縁体に欠陥は検出できなかった。
これらの3つのピンに関しては、最も合理的な説明は、各絶縁体の外側と内側表面と空気を通じた十分な電流が漏れ、ピンとクロスアームを炭化させたようである。各ピンを下る電流は、自然に海洋の湿った風にさらされた側に集中した。なぜなら、これらの風による水分堆積がその側の抵抗を低下させたからである。これらの風が吹かない時、ピンが片側で炭化される前に、その抵抗は周囲でほぼ同じで、ピンに分布された漏れ電流はそれを炭化するのに十分ではなかった。湿った風はもちろん各絶縁体の表面抵抗を低下させ、これとピンとクロスアームへの水分堆積はワイヤからワイヤへの総抵抗を大幅に低減させた可能性がある。
これらのピンに使用された絶縁体は各々2つのペチコートを持ち、上部が直径11インチ、下部が直径6-1/2インチで、小さいペチコートの下縁が大きいペチコートの外側下縁の下7-1/2インチである。大きいペチコートの内側表面が小さいペチコートの内側表面より水平面に近いため、水分がより容易に保持され、湿天での絶縁体の表面抵抗の大部分は小さいペチコートの内側にあったはずである。その下縁で小さいペチコートは径方向にピンから約1-3/4インチ離れ、この下縁の上5-1/2インチの実際の接触まで小さいペチコートの内側表面とピン間の距離が徐々に減少した。
この場合の線ワイヤからピンへの電流経路は、まず絶縁体表面全体を小さいペチコートの下縁まで、次にこのペチコートの内側表面を上って一部、空気を通って一部のようである。これらの3つのピンの各々で炭化はネジ山のすぐ下で下ほど悪かったので、漏れ電流の大部分が小さいペチコートの内部表面を上ったようである。これらのピンの炭化部分はトップ近くのネジ山やクロスアームに適合する部分に少ししか、または全く延びなかった。各ピンのクロスアームに入る部分の保存は、ピンと比較したクロスアームの表面増加と抵抗減少によるようである。各ピンのネジ山部分の保存は、水分からの保護と高い抵抗のためで、それを通る電流がほとんどまたは全くなかった。
同じ線路から取られたもう一つのピンはネジ山の下約1.75インチのポイントでひどく焼損していたが、炭化スポットの下の2ポイントで完全に切断した場合、全断面が完全に健全で焼損の兆候がなかった。このピンの状態の説明は、焼損部分の抵抗が追加の保護と乾燥のためピンの下部より高く、電流通過で大部分の熱を発生したためかもしれない。しかし、このピンがネジ山のすぐ下だけ焼損し、同じ線路の同じ種類の他のピンがネジ山からクロスアームまで炭化された理由は明らかではない。
この同じ線路のいくつかのピンで気づかれたもう一つの奇妙な結果は、ネジ山の柔らか化で指でこすり落とせることである。
ピンと絶縁体の関係。
+——————————+——-+——–+——–+————-+
| |線路の |絶縁体 |絶縁体 |絶縁体で覆わ|
| 線路の場所。 |電圧 |の直径 |の高さ |れたピンの長|
| | | | |さ |
+——————————+——-+——–+——–+————-+
| | |インチ |インチ | インチ |
|エレクトラからサンフランシスコ| 60,000| 11 | 11-1/4 | 12 |
|コルゲートからオークランド | 60,000| 11 | 11-1/4 | 8 |
|カノン・フェリーからビュート | 50,000| 9 | 12 | 10-1/2 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| 50,000| 10 | 13 | 10-1/4 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 33,000| 6-3/4 | 4-7/8 | 2-1/2 |
|ユタ湖周辺のプロボ | 40,000| 7 | 5-3/4 | 4-3/4 |
|スピア滝からシェネクタディ | 30,000| 8-1/2 | 6-3/4 | 5-1/4 |
|ナイアガラ滝からバッファロー | 22,000| 7-1/2 | 7 | 5 |
+——————————+——-+——–+——–+————-+
柔らかくなったネジ山の木材は炭化されていないが、酸っぱい味があり、消化された木材パルプに似ていると言われる。この方法で木製ピンのネジ山が破壊される間、ピンの残りは完璧で炭化を示さない可能性がある。
ピンと絶縁体の関係。
+——————————+———-+———-+———–+
| |絶縁体と |外側ペチ |最低ペチ |
| |クロスアー|コートから|コートから |
| 線路の場所。 |ムの間の |ピンへの |ピンへの |
| |ピンの長さ|空気を通 |空気を通 |
| | |った距離 |った距離 |
+——————————+———-+———-+———–+
| | インチ | インチ | インチ |
|エレクトラからサンフランシスコ| 0 | 10-1/2 | 3-1/2 |
|コルゲートからオークランド | 3-1/2 | 10 | 2-1/2 |
|カノン・フェリーからビュート | 1-1/2 | 0 | 1-1/2 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| 3-1/4 | 9-1/2 | 1 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 3-1/2 | 2-3/4 | .. |
|ユタ湖周辺のプロボ | 3-1/2 | 2-1/2 | .. |
|スピア滝からシェネクタディ | 4 | 4 | 5/8 |
|ナイアガラ滝からバッファロー | 3 | 4-1/2 | 2 |
+——————————+———-+———-+———–+
この木製ピンのネジ山の崩壊の説明として、これらのピンのトップが白色粉末に還元されたものがナイアガラ滝とバッファロー間の線路から取られ、電圧22,000で、この粉末の分析で硝酸塩であることがわかった。この塩は木材への硝酸の作用の結果と考えられ、酸は絶縁体とピンのネジ山間の空気の酸素と窒素に作用する静電放電で形成されたと仮定された。この見解を支持して、ナイアガラ滝の亜鉛メッキ鉄ワイヤの実験線路がほぼ4ヶ月連続で75,000ボルトで運転され、約2マイルの全長で黒くなったと言われた。この表面崩壊は通常の空気の作用によるものではなく、同じ場所の類似ワイヤは電気導体として使用されない時明るく残った。
これらの事実から、75,000ボルト電流を運ぶワイヤからのブラシ放電が空気の酸素と窒素から硝酸を発生し、この酸がワイヤを攻撃したようである。
上記の一つのエレクトラ線路で使用されたピンはネジ山の下少しのポイントでひどく炭化され焼損されていた。電流の炭化経路もピンの側面をクロスアームまで下に追跡できたが、この経路はピンのトップ近くのスポットほどひどく焼損していなかった。
おそらくサンタアナ川とロサンゼルス間の送電システムの一部である33,000ボルト線路からの複合ピンは、片側の狭いストリップに沿って木製ネジ山を通じて中央鉄ボルトまで焼損していた。この線路で焼損したすべてのピンは上記の方法で電流の影響を示したが、クロスアームは焼損せず、絶縁体の穿孔はほとんどなかった。
複合ピンは長さ10-5/8インチ、直径1/2インチの中央鉄ボルトで、木製ネジ山の上に薄いヘッドを持ち、長さ2-5/8インチでネジ部分直径1インチの木材スリーブ、上端直径1-1/4インチ、下端2-11/16インチの長さ3-1/8インチの磁器スリーブで構成された。木材と磁器のスリーブは中央鉄ボルトに被せられ、クロスアームの上にピンの部分が5-7/8インチ測られる。この場合、漏れ電流の経路は絶縁体の外側と内側表面を越え、次に木材スリーブを通って中央ボルトとクロスアームのようである。
上記の事実から、木製ピン上の絶縁体で支持された長い高電圧送電線路の永続性と信頼性への深刻な脅威が示される。そのような結果が上記の線路で遭遇された場合、使用された絶縁体のいくつかは最大で最良の設計であるため、漏れ電流の類似の破壊効果が高電圧で運転する他の多くの線路で発生していると仮定するのは公平である。
絶縁体自体の拡大や改善が言及された方法の一つで木製ピンの破壊を完全に避けるかどうかは少なくとも疑わしい。線ワイヤと木製ピン間の空気を通じた距離と絶縁体表面、外側と内側の両方をさらに延ばすことで、後者の炭化と焼損を防ぐ可能性はあるが、確かではない。絶縁体部品でクロスアームの上にピンの大部分を覆う方法で多くがすでに実施されたが、この方法で最もよく保護されたピンの部分でさえ焼損から自由ではない。
したがって、コルゲート線路では各ピンの8インチが絶縁体の内部表面で保護されるが、これらのピンはネジ山近くの上に炭化され、下のクロスアーム近くほど悪かった。エレクトラ線路では、各絶縁体の内側ペチコートの上ポイントまでクロスアームからピン周囲に磁器スリーブが走り、クロスアームの上にピンの全長が保護される。カノン・フェリー線路では、絶縁体の機械的に分離された部分を事実上形成するガラススリーブが、ネジ部分からクロスアームの1.5インチ以内にピンを保護する。
ショーウィニガン滝からモントリオールへの線路の絶縁体は各々長さ13インチで、クロスアームの1.5インチ以内にピンを延ばす。サンタアナ線路の各ピンの焼損部分はネジ山を運ぶもので、線ワイヤから最大の表面距離で分離された絶縁体の部分と実際に接触していた。
ピンの焼損以外に、コルゲートとナイアガラ線路の事例で示されたように、絶縁体のトップ内部で発生する何らかの化学作用によるネジ部分の破壊がある。絶縁体の改善が化学作用を必ず防ぐとは思われない。
絶縁体の表面抵抗を増加させて漏れ電流による木製ピンの焼損を防ぐのが実用的でない場合、絶縁ピンの代わりに導電ピンを置き換えることでトラブルを解決する可能性がある。絶縁体、ピン、クロスアームがワイヤからワイヤへの漏れ電流の経路を形成するため、木製ピンは抵抗、特に乾燥時で熱を発生させる。鋼や鉄のピンではこの熱は微々たるもので損傷しない。与えられた絶縁体の設計で鉄ピンではワイヤからワイヤへの漏れ量は木製ピンよりいくらか大きいだろう。
しかし、現在絶縁体と木製ピンの組み合わせ抵抗まで新しい絶縁体の抵抗を増加させる方が、焼損したピンを交換するより安いだろう。
手元のすべての証拠から、表面上の電流漏れを単なるエネルギー損失として許容範囲内に低減する絶縁体が、鉄ピンでも木製ピンの炭化と破壊を防がないようである。
[イラスト: FIG. 90.–モンタナ州カノン・フェリーとビュート間の50,000ボルト線路のガラス絶縁体とスリーブ。]
絶縁体が乾燥して清潔である限り、表面上の電流漏れの抵抗はすべて必要で、絶縁体を運ぶピンの抵抗は小さい重要性である。絶縁体の抵抗がピンの抵抗で強化される必要がある場合、それは絶縁体の表面が湿っているか汚れている時である。不幸にも、絶縁体に汚れや水分を堆積させる同じ天候条件がピンに類似の堆積を引き起こし、そのような堆積によるピンの抵抗の低下は絶縁体のそれよりはるかに大きい。雨と霧中の絶縁体表面の電流漏れの増加は通常絶縁体自体に損傷を与えないが、湿ったピン上のそのような漏れは、一時的に抵抗を低下させた水分がなくなった後も良い導体として作用し続ける炭素の表面層をすぐに発生させる。これらのような理由が、線路に使用される電圧に必要なすべての抵抗を提供する絶縁体で鉄ピンを好むエンジニアを生んだ。
鉄ピンの使用が炭化と焼損を木製クロスアームに移すと提案される可能性があるが、これは必要な結果ではないようである。木製ピンが使用される場合のクロスアームの炭化と焼損からの比較的自由は、クロスアームのより大きな表面と低い抵抗によるようである。小直径のシャンクを持つ鉄ピンでは、ピンと木製クロスアーム間の接触表面の面積が相対的に小さいため、この接触表面で木材のいくらかの炭化がある可能性がある。この種のトラブルを防ぐのが望ましいと思われる場合、クロスアームと接触する鉄ピンの表面を大型ワッシャーの使用で十分にし、各ピンのシャンクを他の場所より大きい直径に与える。
直径1/2インチの中央鉄ボルトを持つピンが33,000ボルトのサンタアナ線路で使用され、中央ボルトのトップ周囲の木製ネジ山が焼損した場合にクロスアームの焼損を引き起こさなかったと言われたことに注意する。
鉄ピンのもう一つの可能なトラブルは、ガラスまたは磁器より大きな膨張率で絶縁体を破損することである。そのような結果は、絶縁体をピンにねじ込む代わりに各鉄ピンを絶縁体にセメントで固定することで容易に避けられる。鉄ピンは木製よりいくらか高価になるが、このコストは送電線路の総投資の小さい割合だけである。木製ピンの更新コストを考慮すると、電圧と他の条件が頻繁な焼損を引き起こす線路では、鉄ピンが最終的に安いことは疑いない。
鉄ピンはすでに多くの高電圧線路で採用されている。鉄ピンだけでなく、鉄クロスアームと鉄ポールさえ多くの送電線路で使用されている。メキシコで現在建設中の長い線路では、木製ポールの代わりに400フィート離れた鉄塔が使用され、ピンとクロスアームも鉄である。ナイアガラ滝からトロントへの75マイル線路は完全に鋼鉄塔で運ばれる。
ブリティッシュコロンビア州バンクーバーのバンクーバー・パワー社は、長さ約12インチの鋼ボルトで、クロスアームに入る長さ4-1/2インチの鋳鉄スリーブと絶縁体にねじ込む鉛ネジ山を備えたピンを使用する。ワシントン州スポケーンのワシントン・パワー社の111マイル線路、60,000ボルトで運転するよう設計され、スタンダードとヘクラ鉱山まで走るピンは、直径1-1/8インチの鋼棒で、クロスアームに入る直径2-1/16インチの鋳鉄シャンクと絶縁体の鉛ネジ山を持つ。
[イラスト: FIG. 92.–スピア滝線路の鉄ピン。]
ニューヨーク州スピア滝、シェネクタディ、アルバニー、トロイ間の送電線路ネットワークでは、絶縁体は2つのタイプの鉄ピンで支持される。これらのピンの1つは、角とワイヤ線路の負担が異常に重い場所で使用され、直径3/4インチでヘッド上長さ16-1/2インチの錬鉄ボルトと長さ8-3/4インチの可鍛鉄鋳造で構成される。この鋳造は下端にクロスアームのトップに置かれる5 x 3-3/4インチのフランジを持ち、ボルトは鋳造のトップから下を通ってそれとクロスアームを通る。ボルトの下端にネジ山が切られ、ナットとワッシャーでクロスアームに固定される。このピンのクロスアームの上総高は9-1/4インチである。
この線路の直線作業では、ステムが完全に可鍛鉄で、クロスアームを通って上がり鋳造のベースに入るボルトを持つピンが使用される。このピンの鋳造トップは4つの垂直ウェブを持ち、クロスアームのトップに置かれる長方形ベースは3-1/2 x 4インチである。クロスアームを通って上がり鋳造のベースにタップするボルトは直径3/4インチである。このピンの鋳造部分は長さが絶縁体のトップをクロスアームの上10-3/4インチで運ぶ。鋳造の長さは9-1/4インチである。
スピア滝線路で使用される鉄ピンの両タイプは、絶縁体が逆さまの時に液体でピン穴に注がれ、ピンが穴の中央に保持されたポートランドセメントで絶縁体に固定される。各鋳造のトップは絶縁体の穴より直径が小さく、セメントを保持するために溝が切られる。
[イラスト: FIG. 93.–トロントとナイアガラ線路の標準ピン。]
カリフォルニアで最近完成した60,000ボルト用に設計された長い線路では、木製ピンが磁器絶縁体で使用され、各々直径14インチ、高さ12-1/2インチである。これらのピンの各々はクロスアームからネジ山端までシート亜鉛で完全に覆われ、この金属カバーが漏れ電流による木材の損傷を防ぐと期待される。
第二十一章
送電線路の絶縁体。
線絶縁体、ピン、クロスアームは、送電回路のワイヤ間の導電性の高い経路を構成する要素の一つである。各場合で1つの導体からもう1つへのこれらの経路に沿って流れる電流量は、各ポールの絶縁体、ピン、クロスアームの組み合わせ抵抗に依存する。
高電圧送電回路のワイヤは、一般的に裸で使用される。なぜなら、連続被覆はコストを大幅に増加させるが、高電圧に対する有効絶縁の増加はわずかだからである。一部の事例では、高圧送電線路のワイヤが都市に入る短い距離で個別の被覆を持つが、しばしばそうではない。ニューハンプシャー州マンチェスターでは、水力発電所からの裸導体が都市境界内のかなり内側にある変電所に12,000ボルトで入る。シャンブリーの水力発電所から、裸の25,000ボルト回路がビクトリア橋を越えてセントローレンス川を渡った後、モントリオールのウォーターフロント近くのターミナルハウスまで架空で通る。ゼネラル・エレクトリック工場の到達のため、スピア滝からの30,000ボルト回路がニューヨーク州シェネクタディの都市境界に裸の架空導体で入る。
送電線路が腐食性ガスのある地域を通過する場合、ワイヤに個別の耐候被覆を与えることが望ましい場合がある。このような事例はナイアガラ滝近くで発生し、バッファローへの回路を形成するアルミニウム導体がアスファルト飽和の編組でいくらかの距離覆われる。
線絶縁体の表面とそれを支持するピンとクロスアームで形成される各経路は、それを通る漏れ電流で表されるエネルギーを無駄にするだけでなく、この電流でピンとクロスアームの炭化と焼損を引き起こす可能性がある。そのような焼損を防ぐため、主な信頼はピンとクロスアームの抵抗ではなく絶縁体の表面抵抗に置かれるべきである。これらの絶縁体はガラスまたは磁器で作られ、油なしで乾燥して使用されるべきである。一部の初期送電線路では、絶縁体の下縁が内側に上向きに曲げられ、絶縁体本体の下に円形の溝が形成され、この溝に重い石油が満たされた。しかし、この油の溝が汚れを集め、ワイヤとクロスアーム間の絶縁を低下させる傾向があることがわかり、この慣行はすぐに放棄された。ガラスと磁器の絶縁体は高圧線路での使用の競争相手で、各々に独自の利点がある。磁器絶縁体はガラスより機械的に強く、ガラス絶縁体が朝の熱い太陽にさらされて内部不等膨張で割れる結果が時々発生するのに対し、耐えやすい。ガラス絶縁体に有利な点として、その絶縁特性がかなり均一で、磁器とは異なり、内部欠陥が検査でしばしば明らかになることが挙げられる。大型磁器絶縁体の内部欠陥を避けるため、一部の設計をいくつかの部品で製造し、各絶縁体の部品をセメントで結合する必要があった。
欠陥絶縁体は2つのクラスに分けられる：線電圧で穿孔され破損するものと、表面を越えてピンとクロスアームに過度の電流を許容するもの。絶縁体が穿孔され破損した場合、それに取り付けられたピン、クロスアーム、ポールが焼損する可能性がある。絶縁体の表面上の電流漏れが大きい場合、使用される線路でのエネルギー損失が深刻になるだけでなく、このエネルギーはワイヤからワイヤへの経路でピンとクロスアームをたどり、前者を徐々に炭化し、最終的に火災を引き起こしたり機械的強度の不足で破断したりする。絶縁体表面の放電は量が大きく破壊的性質を持つ可能性があり、容易に見える。より頻繁に絶縁体上のこの表面漏れ電流は目に見えず静かな種類で、それでもピンとクロスアームを炭化し弱め、さらには火災を引き起こすのに十分な量である可能性がある。
ガラスまたは磁器で作られたすべての絶縁体は、高圧線路で実用的に使用される前に、穿孔抵抗を決定するための電気テストと、導体間の表面電流漏れを抑える能力をテストすべきである。経験から、検査だけでは欠陥ガラス絶縁体を検出できないことが示された。絶縁体の電気テストは、ガラスと磁器に時間要素があるため、それらが実用サービスでさらされる電圧よりはるかに高い電圧を使用し、穿孔の危険が少ないことを決定するのに役立つ。絶縁体の外側部分が湿っているか乾燥しているかで表面上の電流の破壊放電を引き起こす電圧を決定することも可能である。これが通常の電気テストの範囲だが、そのようなテストは絶縁体が湿っている時と乾燥時の両方で、回路が運ぶ予定の電圧で表面上の静かで目に見えない漏れ量も決定すべきであるように思われる。そのような静かな漏れのテストは重要である。なぜなら、この種類の漏れが絶縁体ピンを炭化し弱め、エネルギーの無駄を表すだけでなく、ピンとクロスアームに火災を引き起こすからである。
絶縁体のテストに使用される電圧は、特定のテストの目的に応じて量を変えるべきである。ガラスと磁器のような多くの固体絶縁体は、数分間耐えられる電圧で穿孔を引き起こすが、無期限に続けば穿孔する。この点でこれらの絶縁体は空気とは異なり、空気はさらされる電圧が永久に耐えられない量に達するとすぐに破壊放電を許容する。このガラスと磁器絶縁体の特性のため、穿孔テストではそれらが永久にさらされるものよりはるかに高い電圧を使用する必要がある。良い慣行では、絶縁体を穿孔テストで送電線路で永久に支持する回路の電圧の少なくとも2倍でテストするのが望ましい。
ナイアガラ滝からバッファローへの最初の送電線路、11,000ボルトで運転するよう設計されたものでは、磁器絶縁体が支持する回路のほぼ4倍の40,000ボルトで穿孔テストされた。
ナイアガラ滝とバッファロー間の2番目の線路の磁器絶縁体は、送電電圧が22,000に上げられた後、60,000ボルトで穿孔テストされた。これらの60,000ボルトでテストされた絶縁体のうち、欠陥は約3パーセントだけだった。これらの穿孔テストは、各絶縁体を逆さまに塩水を2インチ深さで含むオープンパンに置き、絶縁体のピン穴を塩水で部分的に満たし、次にテスト回路の1つの端子をピン穴の金属棒に、もう1つをパンに接続して実施された。これらのテストでは通常のように交流電流が使用された（A. I. E. E.トランザクション第18巻514から520ページ）。スピア滝、シェネクタディ、アルバニー、トロイ間の送電線路、電圧30,000では、絶縁体が24時間水に浸された後、5分間75,000ボルトの穿孔テストに耐える必要があった。
穿孔テストの適切な継続時間については意見の相違があり、一部の場合は各絶縁体で1分だけ継続し、他の場合は5分以上である。一般に、テスト電圧が絶縁体が定期的に使用されるものと比較して高いほど、テスト期間は短くすべきである。上記のように塩水でテストする代わりに、絶縁体をネジ山に適合するサイズの鉄ピンにねじ込み、次にテスト回路の1側をピンに、もう1側を絶縁体のワイヤ溝に接触させる。鉄ピンがテストまたは通常の線作業で使用される場合、ピンが絶縁体のトップに強くねじ込まれないように注意すべきである。これによりトップが割れる傾向があり、特にピンと絶縁体の温度が上昇した場合である。鉄はガラスまたは磁器よりはるかに高い率で膨張し、鉄ピンを絶縁体にねじ込む代わりにセメントで固定するのが望ましい。絶縁体が取り付けられた鉄ピンの膨張による厳しい機械的ストレスにさらされた場合、絶縁体がより容易に穿孔されると思う理由があるようである。
絶縁体のテストに使用される電圧は通常交流で、圧力曲線の形状は重要であり、特に絶縁体の表面を線ワイヤからピンへのアークが発生する電圧を決定する手段としてである。2つの交流電圧曲線の平均二乗の平方根または平均有効電圧、ボルトメーターで読まれるものは、同じでも2つの曲線の最大電圧が大きく異なる可能性がある。絶縁体の穿孔テストでは、ガラスと磁器に時間要素の影響のため、圧力曲線の最高点で示される最大電圧より適用される平均交流電圧が重要である。一方、テストが線ワイヤからピンへの絶縁体表面上の電流の破壊放電を引き起こす電圧を決定する場合、空気に時間要素がないため、圧力曲線の最大値を考慮すべきであるが、瞬間的な電圧の下で破壊放電を許容する。
送電システムで使用される交流発電機は通常、それらが発生する圧力の瞬間値で正弦曲線にほぼ準拠し、したがって線絶縁体のテストを値が正弦曲線に従う電圧で実施するのが望ましい。単一の変圧器または直列のいくつかの変圧器を必要な電圧に昇圧するために使用できるが、単一の変圧器は通常より良い調整と高い精度を与える。ニードルポイント間のエアギャップはテスト回路の平均電圧を決定するのにあまり満足できない手段である。なぜなら、上記のようにニードルポイント間のスパーク距離は主に電圧の最大瞬間値に依存し、発電機の負荷と磁石の飽和で変化する可能性があるからである。正確な結果のため、テスト回路に降圧ボルトメーター変圧器を使用すべきである。
穿孔テストに耐える絶縁体は、線ワイヤからピンへの表面アークが発生する電圧のテストでひどく失敗する可能性がある。このアークオーバーテストは絶縁体の外側表面が湿っている時と乾燥時の両方で実施すべきである。このテストの目的で絶縁体を鉄ピンまたは錫箔で覆われた木製ピンにねじ込み、次にテスト回路の1ワイヤを絶縁体の溝に固定し、もう1ワイヤをピンの鉄または錫箔に接続する。絶縁体表面の線ワイヤからピンへのアークを引き起こす電圧は、その表面と空気の状態に依存する。高い標高で見られる軽い空気では、アークが海面近くの乾燥空気より長い距離を跳ぶ。霧は与えられた電圧が線ワイヤと絶縁体ピン間を跳ぶ距離を増加させ、重い雨は距離をさらに長くする。雨の降水量が大きいほど、与えられた電圧が絶縁体の外側表面をアークオーバーする距離が大きい。落下水が絶縁体表面に当たる角度もその表面をアークオーバーするのに必要な電圧に影響し、絶縁体のペチコートの下縁の平面に垂直な降水からの逸脱が与えられた電圧のアーク距離を増加させるようである。
絶縁体は実用で遭遇する最も厳しい条件に近似した条件下でアークオーバーテストを与えるべきである。これらの条件は、絶縁体の最大ペチコートの縁で含まれる平面の各平方インチで5分間に1インチの深さの降水量で、落下水の方向がその平面と45度の角度をなす降水でかなり表される可能性がある。水平面での深さ1インチの降水は、米国気象局で記録されたものより少し大きいようである。上記の厳しい条件の下で、線ワイヤからピンへの絶縁体表面のアークオーバーに必要な電圧は、絶縁体が使用される回路の通常電圧より少なくともいくらか大きいべきである。最大電圧30,000のスピア滝とシェネクタディ間線路では、絶縁体が湿った時42,000ボルトのテストに耐え、線ワイヤからピンへのアークなしでなければならない。これらの湿テストでは、水を雨のように絶縁体表面に均等に噴霧し、与えられた時間で絶縁体に当たる水の量を測定すべきである。
絶縁体の外側が雨で湿っている時、線ワイヤと絶縁体ピン間の抵抗の大部分が絶縁体のペチコートの内側表面で提供されることは明らかである。この理由で、湿った外側表面でアークが形成されないように非常に高い電圧に耐える絶縁体は、ペチコートの下に広い乾燥表面を持つ必要がある。一部の高電圧線路では、このアーク距離を増加させるため、絶縁体の下側をベル形ではなく適度に凹状にする相対的に大きな直径の外側ペチコートを与える、いわゆる傘タイプを採用した。このタイプの絶縁体を大型で長いピンに取り付けると、傘のようなペチコートの下縁をピンとクロスアームから遠く離すことができる。高電圧のそのような絶縁体では、大型ペチコートのの下に通常1つ以上の小さいペチコートまたはスリーブがあり、ピンを下に走り、最大ペチコートの下縁とピン間の距離を増加させる。
送電線路の絶縁体。
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| | |絶縁体 |絶縁体 |絶縁体 |
| |線路の |の素材 |の直径 |の高さ |
| 線路の場所。 |電圧 | |(インチ)|(インチ)|
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|エレクトラからサンフランシスコ | 60,000|磁器 | 11 | 11-1/4|
|コルゲートからオークランド | 60,000|磁器 | 11 | 11-1/4|
|カノン・フェリーからビュート | 50,000|ガラス | 9 | 12 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| 50,000|磁器 | 10 | 13-1/2|
|ユタ湖周辺のプロボ | 40,000|ガラス | 7 | 5-3/4|
|サンタアナ川からロサンゼルス | 33,000|磁器 | 6-3/4 | 4-7/8|
|スピア滝からシェネクタディ | 30,000|磁器 | 8-1/2 | 6-3/4|
|アップル川滝からセントポール | 25,000|ガラス | 7 | 5-3/4|
|シャンブリーからモントリオール | 25,000|磁器 | 5-1/2 | 6-1/2|
|ナイアガラ滝からバッファロー | 22,000|磁器 | 7-1/2 | 7 |
|ポーツマスからペルハム、N. H. | 13,000|磁器 | 5-1/4 | 3-3/4|
|ガービンズ滝からマンチェスター、N. H.| 12,000|ガラス | 5 | 4-3/4|
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同じタイプの絶縁体がエレクトラとサンフランシスコ間およびコルゲートとオークランド間の60,000ボルト線路で使用され、各絶縁体が直径11インチの外側ペチコートと直径6-1/2インチの内側ペチコートまたはスリーブを持つ。この内側ペチコートは外側ペチコートの下7-1/2インチでピンを下に走る。上記の線路の各々で、外側ペチコートの下縁からクロスアームへの空気を通った距離はエレクトラ線路で11インチ、コルゲート線路で11-1/2インチである。各絶縁体の内側ペチコートのの下縁はエレクトラ線路で約3-1/2インチ、コルゲート線路で約4インチのクロスアームの上である。
送電線路の絶縁体。
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| |トップ |外側ペチ |最低ペチ |外側の |
| |からクロ |コートか |コートか |縁から |
| 線路の場所。 |スアーム |らクロス |らクロス |最低ペチ |
| |までの |アームま |アームま |コートの |
| |インチ |での |での |縁までの |
| | |インチ |インチ |インチ |
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|エレクトラからサンフランシスコ| 14-1/2 | 11 | 3-1/2 | 7-1/2 |
|コルゲートからオークランド | 15 | 11-1/2 | 4 | 7-1/2 |
|カノン・フェリーからビュート | 13-1/2 | 7-3/4 | 1-1/2 | 6-1/4 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| 16-1/4 | 11-3/4 | 3-1/4 | 8-1/2 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 8-5/8 | 3-3/4 | 3-3/4 | 0 |
|スピア滝からシェネクタディ | 10-3/4 | 7-3/8 | 4-1/4 | 3-3/8 |
|ナイアガラ滝からバッファロー | 10 | 5-1/2 | 3 | 2-1/2 |
|シャンブリーからモントリオール| 8-1/2 | 4-1/2 | 2 | 2-1/2 |
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この表の上記の線路の各々でワイヤは絶縁体のトップに張られる。
カノン・フェリー線路は各々3つの短いペチコートと長さの別々のスリーブを持つ絶縁体で運ばれ、スリーブはクロスアームの1-1/2インチ以内にピンを下に走る。このスリーブはピン穴近くで絶縁体と接触する。この線路の各絶縁体の外側ペチコートはクロスアームの上7-3/4インチで、スリーブの下端の上6-1/4インチである。この場合の主絶縁体とスリーブの両方はガラスである。
白色磁器絶縁体は50,000ボルトのショーウィニガン線路を支持するために使用され、最近の設計である。これらの絶縁体の各々は中央ステム周囲に3つのペチコートがあり、下縁がトップの下4-1/2インチ、9インチ、13インチである。最高のペチコートは直径10インチ、中間は9-3/4インチ、最低は4-1/4インチである。この絶縁体の高さは13インチで、エレクトラとコルゲート線路で使用されるものと比較して11-1/4インチ、カノン・フェリー線路で使用される組み合わせ絶縁体とスリーブで12インチである。この絶縁体をピンに取り付けた時、ワイヤをクロスアームの上16-1/4インチに保持し、エレクトラで対応する距離14-1/2インチ、コルゲートで15インチ、カノン・フェリー線路で13-1/2インチと比較する。これらの絶縁体の2つの上部ペチコートは最低のものより凹状がはるかに少なく、3つのすべての縁はそれぞれクロスアームの上11-3/4、7-1/4、3-1/4インチである。トップの縁から底のペチコートの縁までの直接距離は8-1/2インチである。
上記の50,000から60,000ボルトで運転する3つの送電線路のうち、ショーウィニガン滝とモントリオール間が線ワイヤと絶縁体ペチコートとクロスアーム間の距離でリードする。電圧33,000のサンタアナ線路では、絶縁体はより通常のタイプで、磁器、直径6-3/4インチ、高さ4-7/8インチ、3つのペチコートの下縁が同じ平面である。これらの絶縁体の各々はワイヤをクロスアームの上8-5/8インチに保持し、すべてのペチコートをクロスアームの上3-1/2インチに持つ。上記のように木製ピンに取り付けられる3つの絶縁体とは異なり、このサンタアナ絶縁体は鉄芯、木製ネジ山、磁器ベースを持つ。このベースはクロスアームから上3-1/8インチ延び、絶縁体のネジ山が切られた木製スリーブはピンの中央ボルトを上から磁器ベースのトップまで下に走り、ペチコートの下5/8インチである。
スピア滝からの30,000ボルト線路は三重ペチコート磁器絶縁体でクロスアームの上10-3/4インチで運ばれる。これらの絶縁体の各々は直径8-1/2インチ、高さ6-3/4インチで、3つの部品をセメントで結合して構築される。各絶縁体の鉄ピンは純粋なポートランドセメントでセメント固定され、外側ペチコートを7-1/2インチ、最低ペチコートをクロスアームの上4-1/4インチに運ぶ。スピア滝線路の電圧が約13,000から30,000に上げられた時、一部で一部品磁器絶縁体で運ばれる回路で、これらの絶縁体の多くが高い圧力で穿孔され、結果として一部のクロスアームとポールが焼損した。3部品絶縁体が使用されたこれらの線路の部分では失敗はなかった。ナイアガラ滝とバッファロー間の2番目のポール線路は22,000ボルトで運転するよう設計され、最初の線路の2倍である。磁器絶縁体はこれらの線路の両方で使用されたが、11,000ボルト線路が直径7インチ、高さ5-1/2インチの三重ペチコート絶縁体で運ばれたのに対し、22,000ボルト線路は直径7-1/2インチ、高さ7インチ、2つのペチコートだけの絶縁体に取り付けられた。古い絶縁体はペチコートをクロスアームの上2インチに持ち、新しい絶縁体の下部ペチコートはアームの上3インチである。これらの2つの絶縁体は、運ばれる回路の電圧が増加するにつれて絶縁体軸に沿って長くする傾向を示す。
[イラスト: FIG. 93A.–ナイアガラ滝-バッファロー線路の古い絶縁体と新しい絶縁体。]
さらに高い電圧の将来の作業では、初回コストと絶縁特性の両方の利点は、軸方向に非常に長く、ペチコートが互いの下に配置されすべてほぼ同じ直径の絶縁体にあり、エレクトラとコルゲート線路のような傘タイプの絶縁体より良いようである。
第二十二章
送電線路の絶縁体ピンの設計。
線ワイヤの重量、張力の度合い、および方向による曲げ負担に加え、風圧による負担が、絶縁体ピンの機械的失敗の主な原因である。
これらの力の不均衡成分をピンの軸に直角に考慮し、曲げを生じるものだけを考えると、各ピンは一端で固定され、もう一端で負荷される円形断面の梁とみなせる。
この目的で、梁の固定端はピンがクロスアームに入るポイントとし、負荷端は線ワイヤが絶縁体に取り付けられるポイントとする。これらの2ポイント間の距離が梁の長さである。ピンの外側繊維の最大負担をその断面積の平方インチあたりのポンドで表したSは、公式から求められる。
P X
S = ——-
.0982 D³
ここでPはワイヤの引っ張り(ポンド)、Dは任意のポイントでのピンの直径、Xはそのポイントからワイヤまでの距離(インチ)である。この公式の検査から、線ワイヤの引っ張りPが一定の場合、任意のポイントでの外側繊維の最大負担Sは、負担Sが発生するポイントからワイヤまでの距離Xに比例して増加することがわかる。この負担Sは線ワイヤの引っ張りが一定の場合、Sが発生するピンのポイントでの直径Dの三乗に反比例して減少する。したがって、ピンが均一直径の場合、クロスアームの穴のすぐ上のピンの断面は、曲げ負担にさらされる他のどの断面より線ワイヤから遠いため、最大負担を受ける。この理由で、ピンをクロスアームの上に均一直径にする必要はなく、実際には常にトップに向かってテーパーされる。このテーパーにもかかわらず、通常作られるピンの最も弱いポイントはクロスアームのトップのすぐで、ピンは通常この断面で破断する。この破断はピンがクロスアームの穴を下に滑るのを防ぐために各ピンに旋盤加工されたショルダーのすぐ下に来る。ピンのショルダーがクロスアームにぴったりフィットする場合、ピンの曲げ抵抗強度は増加するが、そのようなフィットを確実にするのは難しく、ピンの強度増加に頼るべきではない。ピンをクロスアームのショルダーからトップまで適切なテーパーを与えることで、ピンの外側繊維の負担Sをクロスアームの上にその長さにかかわらずすべての断面で一定にできる。上記の公式は、ピンの各種断面での直径を決定し、各断面での最大応力Sを一定にするのに使用できる。転置により公式は
P
D³ = ——- X.
.0982 S
ピンがSをすべての断面で一定にするようにテーパーされた場合、線ワイヤの任意の引っ張りPで量(P/.0982 S)は線ワイヤの取り付けポイントから任意のインチ数X離れたすべての直径Dで一定でなければならない。したがって、ピンの任意の断面で定数(P/.0982 S)が求められた場合、同じ最大応力Sの他の各断面での直径は公式にこの定数の値を代入することで容易に求められる。例えば、線ワイヤの下1インチの断面でピンが持つ直径を決定し、その断面での最大負担が線ワイヤの下5インチで直径1.5インチの断面での対応する負担に等しくなるよう要求される。Xの値として1を代入し、最後の公式はD³ = 0.675となり、これからD = 0.877となり、線ワイヤの下1インチでのピンの直径は0.877インチであるべきことを示す。同様の計算で、ピンが十分長くクロスアームの上に断面が線ワイヤの下12インチの場合、この断面の直径は0.675 × 12 = 8.1の立方根に等しく、2.008、または実質的に2インチであるべきことを示す。これらの計算はピンが与えられた線ワイヤの引っ張りに耐える能力とは何の関係もないことに注意すべきである。これらの計算は単に、線ワイヤの下の対応する距離での表に与えられた直径を持つ場合、線ワイヤの下5インチで直径1.5インチの断面での対応する負担に等しい最大応力を持つ21インチのピンが線ワイヤとクロスアーム間で長く、その強度が均一になることを示すだけである。A. I. E. E.第20巻415から419ページでは、上記の計算に基づいた標準絶縁体ピンの仕様が提案されている。そのような計算の結果として、以上公式で使用されたXとDの対応値の以下の表が示され、各々がインチで表される。
+———-+
| X D |
+———-+
| 1 0.877|
| 2 1.106|
| 3 1.263|
| 4 1.395|
| 5 1.500|
| 6 1.592|
| 7 1.678|
| 8 1.754|
| 9 1.825|
|10 1.888|
|11 1.95 |
|13 2.06 |
|15 2.17 |
|17 2.25 |
|19 2.34 |
|21 2.42 |
+———-+
線ワイヤとクロスアーム間で21インチのピンは、この表の対応する線ワイヤの下の距離での直径を持つ場合、ワイヤの引っ張りに耐える均一な強度を持つ。このことから、表のXに対応するワイヤとクロスアーム間の任意の長さのピンは、クロスアームの上5インチでワイヤを持つ直径1.5インチの標準ピンと同じ線ワイヤの引っ張りに耐える強度を持つことがわかる。言い換えれば、線ワイヤとクロスアーム間で21インチのピンが表の対応する線ワイヤの下の距離での直径を持つ場合、曲げに耐える等しい強度の任意の短いピンは、より長いピンのトップ端から切られた等しい長さに相当する。ピンのクロスアームの上に部分を「ステム」、クロスアーム内の部分を「シャンク」と指定し、検討中の各ピンはそのステムの長さで、5インチ、7インチ、または11インチピンとして命名される。すべてのピンのショルダーの下のシャンクの実際の直径は公称直径より1/32インチ少なく、各シャンクの下端の実際の直径は公称直径より1/16インチ少ない。これらの説明で提案されたピンのサイズは以下の寸法(インチ)を持つ：
+———+———+———–+
| | | 公称 |
|ステムの |シャンク |シャンク |
|長さ |の長さ |の直径 |
+———+———+———–+
| 5 | 4-1/4 | 1-1/2 |
| 7 | 4-1/4 | 1-3/4 |
| 9 | 4-1/4 | 1-7/8 |
| 11 | 4-3/4 | 2 |
| 13 | 4-3/4 | 2-1/8 |
| 15 | 4-3/4 | 2-1/4 |
| 17 | 5-3/4 | 2-3/8 |
| 19 | 5-3/4 | 2-1/2 |
+———+———+———–+
この提案された標準ピンの表の有用性を正しく評価するためには、すべての寸法がシャンク直径1-1/2インチで線ワイヤをクロスアームの上5インチに取り付けた木製ピンが送電線路の一般使用に十分強いという仮定に基づいているという事実を念頭に置く必要がある。そのような仮定は広範な慣行をカバーするが、多くの場合でその真実が疑われる可能性がある。この仮定が表全体の基盤を形成していることは、各ピンのシャンクでの計算された直径が線ワイヤの均一な引っ張りPに依存し、シャンクがステムに接合する直前の木材の外側繊維の均一な最大応力Sを与えるという事実で明らかに示される。言い換えれば、表のすべてのピンは、各場合でピンのトップと同じレベルに線ワイヤが取り付けられた場合、同じ線ワイヤの引っ張りに耐える均一な強度で設計されている。実務家はすぐに、シャンク直径1-1/2インチの5インチピン、または等しい能力のより大きなピンが一部の送電線路の導体に十分強い可能性があるが、この同じピンが他の線路の長いスパン、より鋭い角度、より重い導体に全く弱すぎる可能性があることに気づく。
したがって、モンタナ州カノン・フェリーとビュート間の65マイル線路では、各導体は銅で断面積106,500 cmであるが、ナイアガラ滝とバッファロー間の古い線路では各銅導体は断面積350,000 cmである。これらの2つの線路でスパン長、サグ量、角度の条件が等しい場合、小さいワイヤに十分な強度のピンが大きいワイヤに弱すぎることは明らかである。
少しの検討で、すべての送電線路に均一な強度のピンを採用するのは合理的でも望ましくもなく、定期使用中の導体のサイズの範囲に対応するいくつかの強度の度合いが必要であることがわかる。線導体の最大曲げ負担が決定された場合、任意の送電線路で使用されるピンのサイズは計算と実験で、または実験だけで求められるべきである。Trautwineによると、イエローローカストの平均圧縮強度は9,800ポンド、ヒッコリーは8,000ポンド、白オークは7,000ポンドの平方インチあたりの粒方向である。これらの圧縮強度は同じ木材の引張強度より小さく、したがって計算で使用されるべきである。なぜなら、曲げピンの片側の繊維が圧縮され、もう片側の繊維が伸長されるからである。公式S = (P X/(.0982 D³))でSの値に1,000を、Xの値に5を、Dの値に1-1/2を代入し、結果のPの値は736.5ポンドである。この結果から、シャンク直径1-1/2インチのローカストピンで線ワイヤをショルダーの上5インチに取り付けた場合、ワイヤの不均衡側引っ張りが曲げでピンを破断させるのは736ポンドで、ピンの木材が圧縮で平方インチあたり1,000ポンドの強度を持つ場合である。上記の表の提案された標準ピンのすべてが各場合でピンのトップと同じレベルに取り付けられた線ワイヤの同じ引っ張りに耐える均一な強度で設計されたため、上記の条件下でワイヤの736ポンドの引っ張りがこれらのピンのいずれかを破断することがわかる。
上記の計算は、各ピンのシャンクの実際の直径がショルダーのすぐ下で公称直径より1/32インチ少ないという事実を考慮していないが、これは強度をいくらか低減する。Trautwineは木材の圧縮強度の上で与えられた数字は平均だけで大きな変動があると述べている。もちろん、定期実務でピンを意図的に破断点まで負荷すべきではなく、木材の強度の変動と予期せぬ負担を考慮して、絶縁体ピンの最大負担を固定する際に安全率、例えば4を採用すべきである。この係数を上記の計算に適用すると、定期作業で上記の提案された標準ピンのトップでの線ワイヤの最大引っ張りは736 ÷ 4 = 184ポンドを超えないようである。少しの計算で、現在送電線路で使用されるより大きな導体のいくつかの側引っ張りは、サグ、角度、風圧として実務で頻繁に遭遇する条件の下で184ポンドを大幅に超えることが容易に示される。
A. I. E. E.第20巻448ページでは、シャンク直径1-7/16から1-1/2インチのローカスト木材ピン6つのテストが報告されている。これらのピンの各々はシャンクを硬木材ブロックの直径1-1/2インチの穴に挿入し、次にセラーズ機械でピンに約直角でブロックから約4-1/2インチで負担を適用してテストされた。各ピンの引っ張りは徐々に適用され、ほとんどのピンで側引っ張りが700から750ポンドに達した時木材の繊維が分離し始めたが、最大負荷はこれらの数字の約10パーセント上だった。これらのピンの木材の圧縮強度の平均計算値Sは、木材の繊維が破断し始めた負荷に基づいて11,130ポンドの平方インチで、ピンが崩壊した負荷で13,623ポンドの平方インチである。最後に引用した巻の650から653ページでは、カリフォルニアでこの目的で一般的に使用されるユーカリ木材の22ピンのテスト結果が報告されている。これらの12ピンはカリフォルニアで電圧が30,000を超えない線路で多用されるサイズである。これらの12ピンの各々はステム長6-7/8インチ、シャンク長4-5/8インチ、シャンク直径1-1/2インチ、シャンクがステムに接合する四角ショルダー直径2インチ、ネジ山のトップ直径1-3/8インチだった。これらのピンは各々クロスアームに取り付け、クロスアームをテスト機械に固定してピンが水平になり、絶縁体をピンに置き、絶縁体の側溝に巻かれたケーブルで負担を適用してテストされた。このケーブルは各ピンの軸に少し直角からずれたが、軸に直角の負担の成分が計算され、ここで言及される破断負荷はその成分である。これらの12ピンのほぼすべてがクロスアームで四角く破断した。
単一のピンでは最低破断負担は705ポンド、最大は1,360ポンド、12ピンの平均は1,085ポンドだった。不幸にも、テストケーブルが各クロスアームからどれだけ遠くに取り付けられたかは述べられていないが、ケーブルが小さいピンで使用された絶縁体の側溝に巻かれたため、おそらくピンのトップと一致するか少し下だった。小さいピンで使用された絶縁体の側溝に巻かれたためである。コルゲートとオークランド線路で実際使用される絶縁体のタイプではワイヤはトップ溝で運ばれ、その中心はピンのトップの上約2-1/2インチである。したがって、これらのピンはこれらのテストで耐えたように線路で大きな負担に耐えない可能性がある。これらのより大きなピンの各々のベベルショルダーは、ベベル表面がクロスアームのカウンターボアにぴったりフィットするため、曲げ負担に耐える能力を増加させることは疑いない。ピンが軸に直角のショルダーを持つ場合、より通常の場合でクロスアームのトップが少し丸みを帯びている場合、四角ショルダーは堅い座席を持たず、ピンの曲げ負担抵抗強度としては軽い重要性である。明らかに、このテストの10つのより大きなピンの最も弱いポイントはネジ部分の下端で、各場合の破断はネジ山が終わった場所から始まる長い分裂の形だった。重い線ワイヤ用のピンの直径をネジ端で1インチのように小さく低減したり、ネジ部分の長さを標準ピンの仕様で提案された2.5インチに制限する十分な理由はないようである。ピンのコストはショルダーから端まで均一なテーパーで直径1-1/4または1-3/8インチでネジ山をステムに3または4インチ切った場合でも変わらないことは確かである。さらに、これらのより大きなネジ端の絶縁体のコスト増加は疑いない小さいことである。ピンのシャンクのそれに対するステムの強度の余裕は、ステムが天候と絶縁体の表面上の漏れ電流による炭化にさらされるため、望ましい。高電圧線路では、この炭化は通常各ピンのネジ山のすぐ下の部分で悪く、これらの線路のピンの一般的な破断は絶縁体をピンのネジ部分でワイヤに吊り下げ、ピンの残りをクロスアームに残す。この設計は明らかにネジ山の下端から分裂によるピンの失敗を引き起こす。より良い設計はピンのステムをショルダーからトップまで均一なテーパーを与えるより一般的なものである。線ワイヤが絶縁体のトップに固定される場合、ピンのトップの上1から3インチのどこかで、絶縁体がピンで傾く強い傾向があり、この傾向はピンと絶縁体の接合が長いほど効果的に満たされる。
第23章
鋼鉄タワー
鋼鉄タワーは、水力発電所から大容量のエネルギーを高電圧で長距離に伝送する電力伝送線路の支持構造として急速に普及しつつある。
このような例の一つが、ナイアガラの滝からトロントまでの75マイルの伝送線で、24,000馬力の電力を60,000ボルトで伝送しているものである。もう一つの例は、ウィニペグまで75マイルの鋼鉄タワー線路で、60,000ボルトの伝送回路を運んでいる。世界で最も多くの銀を産出したと言われるメキシコのグアナフアトは、3,300馬力の電力を100マイルの60,000ボルト伝送線路で鋼鉄タワーを使って受け取っている。ナイアガラの滝とロックポートの間で現在建設中の電力回路は、鋼鉄タワーで支持されている。北部ニューヨークの80マイルの伝送線路で、現在計画中のものは、60,000ボルトの電流を運ぶ電気導体を鋼鉄タワーで支持する予定である。
伝送線路の導体を支持する一般的な地上からの高さ、すなわち25フィートから50フィートの場合、鋼鉄タワーは米国およびカナダのさまざまな地域で木製ポールの5倍から20倍の費用がかかる。この事実から、伝送線路で木製ポールを鋼鉄タワーに一般的に置き換えることが経済的に正当化されるためには、初回費用以外の説得力のある理由が必要であることは明らかである。15年間、遠隔地の水力発電所から主要な人口密集地へのエネルギー伝送は、最も控えめな始まりから、数百万の人々にサービスを提供する数十万馬力の供給へと成長したが、この作業のための線路は、わずかな例外を除いて木製ポールで支持されている。少なくとも数年間成功裏に運用されている高電圧で長距離の大電力伝送のうち、木製ポール線路を使ったものには以下のようなものがある：カリフォルニア州を横断してエレクトラ発電所からサンフランシスコまで147マイル、約13,000馬力を60,000ボルトで伝送する回路は木製ポールで支持されている。同州では、コルゲート発電所からオークランドまでの142マイルの伝送線路が60,000ボルトで約15,000馬力の容量を持ち、カークィネズ海峡のほぼ1マイルのスパンを除いて木製ポールで吊り下げられている。ミズーリ川のカニョンフェリーにある10,000馬力発電所からビュートまでの65マイルの2つの55,000ボルト回路は木で運ばれている。シャウィニガンの滝からモントリオールまでの83マイルで、約50,000ボルトで動作する導体は木製ポールで支持されている。バッファローでの30,000馬力の電力供給は、すべてナイアガラの滝からの22,000ボルトで動作する回路に依存しており、これらは木製ポールの線路で支持されている。
これらおよび他の多くの高電圧伝送の運用において、過去10年間のさまざまな時期にいくつかの困難に遭遇したが、それらは満足のいくサービスを妨げるほど深刻なものではなかった。それにもかかわらず、伝送システムの運用で遭遇する特定の障害は、木製ポールを鋼鉄タワーに置き換えることで大幅に減少すると主張されており、伝送線路の初回費用、さらには最終費用が木製よりも鋼鉄の方が少ない可能性さえ示唆されている。費用に関する鋼鉄の主張は、タワーがポールよりも大きな投資を必要とする一方で、タワー数がポール数よりも少ないため、前者の総支出が後者と同程度に減少する可能性があるというものである。さらに、鋼鉄支持構造の減価償却と維持費が低いため、最終費用が木製ポールと同等かそれ以下になると言われている。
現在の市場状況では、鋼鉄タワーはポンドあたり3セントから3.5セントで入手可能であり、鋼鉄タワーまたはポールの費用はその重量にほぼ比例する。1904年の前半に、シカゴのサウスサイド郊外鉄道会社に対する鋼管ポールの見積もりは上記の範囲内であった。同社は当時、鋼鉄セクションで組み立てられたポールをポンドあたり3セント未満で注文した。これらのポールのそれぞれは長さ30フィート、重さ616ポンドで、費用は約18ドルであった（xxi, A. I. E. E., 754）。ニューヨークセントラル電化鉄道沿いの11,000ボルト三相回路のペアを運ぶ45フィート鋼鉄ポールの推定費用は、前年で80ドルであった（xxi, A. I. E. E., 753）。上記のグアナフアト、メキシコへの100マイル線路では、鋼鉄タワーは3″ × 3″ × 3/16″のアングルで脚を組み立て、 Smallerのアングルセクションとロッドで支えられている。これらのタワーのそれぞれは4本の脚を持ち、上部近くで集まり、高さ40フィート、重さ約1,500ポンドで、No. 1 B. & S.ゲージの硬引き銅ケーブル3本からなる単一回路を運んでいる。これらのケーブルのそれぞれの重量は1マイルあたり1,340ポンドで、40フィートタワーは線路のほぼ全長で440フィート間隔、つまり1マイルあたり12本で配置されている。ポンドあたり3セントで、これらのタワーを米国で使用するために確保できる最低価格で、各々の概算費用は45ドルである。ナイアガラの滝とロックポートの間で、各鋼鉄タワーは単一の三相伝送回路を運び、2.5インチから Smallerサイズにテーパーしたチューブで組み立てられた3本の脚を持ち、頻繁にブレースされている。これらのタワーの高さは49フィートで、各々の重量は2,800ポンドである。ポンドあたり3セントで、各タワーの費用は84ドルに達する。北部ニューヨークの長い伝送線路で、最近6本のワイヤーを運ぶ高さ45フィートのタワーに対する入札があり、結果の価格は重さ約3,000ポンドのタワーごとに100ドルから125ドルであった。ナイアガラの滝とトロントの線路では、標準タワーは最低ケーブルを絶縁体で地上40フィートに保持し、重さ2,360ポンドで、ポンドあたり3セントで70.80ドルの費用がかかる。
1902年1月に、ケベック州シャンブリーカントン近くのシャンブリー運河を越える132フィートの2スパンで伝送回路を支持するための4本の鋼鉄タワーが購入された。これらのタワーの各ペアは、11本のNo. 2-0 B. & S.ゲージ裸銅ワイヤーを132フィートのスパンで支持する必要があった。これらの4本のタワーのそれぞれの垂直高さは基礎から144フィートで、ワイヤーが1インチの直径に氷で被覆され、風圧下で任意の部材の最大応力がその極限強度の1/4を超えないように設計された。これらの4本の鋼鉄タワーを購入者が提供した基礎に立てる価格は4,670ドルで、契約では4本のタワーの重量が121,000ポンド以上と指定されていた。この重量に基づくと、タワーの基礎立て込み費用はポンドあたり3.86セントである。
これらの鋼鉄タワーの費用の例から、木製ポールの相対費用についての公正な考えが得られる。シダーまたは他の望ましい木材の長さ35フィート、上部8インチのポールで、1本または2本のクロスアームを備えたものは、米国およびカナダの大部分の鉄道ポイントでの配送をカバーするのに十分な5ドルの推定費用である。このサイズのポールは、大電力ユニットを伴い重い導体を使う長距離高電圧伝送システムで多く使用されている。このようなポールが使用されている線路の例は、ナイアガラの滝とバッファロー間、コルゲート発電所とオークランド間、カニョンフェリーとビュート間で確認できる。もちろん、蒸気鉄道の横断などの特殊な場所ではより長いポールが使用されたが、鋼鉄タワーで支持される線路ではそのような場所で特別に高いタワーが必要になるのも事実である。35フィートポールは、ナイアガラの滝とトロントの伝送の49フィートタワーと同じくらい電気線路を地面レベルから高く保持するが、前者はより密接に設置されるためである。命名された線路では、通常のスパン中心での電気ケーブルの地面レベルからの最小距離は25フィートである。この線路の標準タワーは、下部電気ケーブルを絶縁体で地上40フィートに運び、通常の400フィートスパンの中心で15フィートのたるみを許容するのが望ましいと考えられた。これらのタワーでは、各三相回路を形成する導体は6フィート離れており、3本のケーブル間を結ぶ線は正三角形の辺を形成する。このような鋼鉄タワーで使用される14-3/4インチ長のピンで、35フィートポールの頂部に1本の導体があり、他の2本が5フィート3インチ下のクロスアームで支持され、ケーブル間が6フィートの場合、ポールを5フィート深く設置すると下部ケーブルは絶縁体で地上26フィートに保持される。35フィートポール間の100フィートは非常に穏やかなスパンで、多くの事例で超えられている。したがって、コルゲート発電所からオークランドまでの142マイル線路では、35フィートポールが132フィート離れており、これらのポールの1線は133,000円形ミルの銅導体3本を運び、もう一つのポール線は168,000円形ミルのアルミニウムケーブル3本を持つ。ナイアガラの滝からバッファローへの後期伝送線路では、500,000円形ミルケーブル用の三相回路が設計され、35フィートポールの通常距離は140フィートである。
上記の条件下でポール100フィート間の最大たるみが24インチの場合、ワイヤーの最低点は地面から24フィートになる。グアナフアトへの線路の鋼鉄タワーは長さ40フィートで、440フィート離れているため、スパン中心での導体からの地面距離は上記のものより大きくないと思われる。この点に特に注意を払うのは、鋼鉄タワーの使用がケーブルを非常に高く運ぶため、ワイヤーや棒を投げることができないと示唆されているためである。したがって、100フィート離れた35フィート木製ポールは、導体間の距離を許容し、それらの最低点を地面から同じくらい遠くに保つことができ、400フィート以上離れた40フィートから49フィートのタワーと同じである。導体が世界で最も離れている2つの線路は、カニョンフェリーからビュートへの35フィート木製ポール線と、グアナフアトへの鋼鉄タワー線で、各々でケーブルは正三角形の角で78インチ離れている。鋼鉄タワー400フィートまたは木製ポール100フィート離れの場合、後者は前者の4倍使用する必要がある。ポールあたり5ドルで、これはポールへの投資20ドルを必要とし、グアナフアト線のようなタワーで少なくとも45ドル、ナイアガラの滝からロックポートへのタワーで84ドル、またはナイアガラとトロント線の一つのタワーで70ドルと比較される。トロント線の一つのタワーは2つの三相回路を運び、ケーブル間の最小距離は6フィートである。ポールで導体間の距離を同じ結果にするためには、2つのポール線を持つのが望ましく、したがって40ドルが2つの回路のための1つのタワーを置き換えるポールへの投資を表す。ナイアガラの滝とバッファロー間の古いポール線は、2つのクロスアームで2つの三相回路を運び、各回路の350,000円形ミル銅ケーブルは辺が各3フィートの正三角形の角にある。この場合、電気圧力は22,000ボルトのみである。
上記のポールとタワーの費用には立て込みが含まれていない。各タワーは少なくとも3本の脚を持ち、もっと一般的には4本で、タワーの高さと支持する長いスパンのため、各脚にセメントコンクリートの基礎を与えるのが通常の慣行である。したがって、タワー線路のための穴掘り数はポール線路とほぼ同等かそれ以上で、コンクリート基礎を考慮すると、タワーの立て込み費用はポールのそれより大きいと思われる。木製ポールでは鋼鉄タワーより約4倍のピンと絶縁体が必要で、タワーでは3つに対してポールでは12つである。50,000から60,000ボルトの回路では、各絶縁体と鋼鉄ピンの概算費用を1.50ドルとすると、タワーあたりの節約は13.50ドルを超えない。この点での節約である。回路立て込みの労力では、タワーにわずかな利点があるかもしれないが、長いスパンの重量は支持点の少なさによる時間の節約を大幅に相殺すると思われる。
上記の事実からの概算結論は、鋼鉄タワー線路が同じ数の導体を同じ距離離して支持するための木製ポール線または線路の1.5倍から2倍の費用がかかる可能性が高く、ピンと絶縁体の節約をタワーにクレジットしてもそうである。この結論は米国およびカナダの大部分の建設に適用される。良質の木製ポールは支持として信頼できる強度を10年または15年保持することが知られており、鋼鉄タワーがそのより大きな初回費用を相殺するほど長寿命を示すかどうかは疑わしい。ここで、400フィート以上のスパンでの絶縁体の費用節約や他の利点は、鋼鉄支持と同じくらい木製で容易に確保できることに注意する。これらの長いスパンでは、線路支持の高さと強度の要件が大きく、これらはクロスブレース付きの3本または4本のポールで形成された構造で容易に得られる。このような木製構造は、特別な長いスパンが必須または方向の大きな角変化がある伝送線路の特定のポイントで長く使用されている。シャンブリー運河で上記のように75から150フィート以上の構造が必要な特殊な場合では、そのような長さのポールが容易に入手できないため、鋼鉄が木より一般的により望ましい。しかし、現在の提案や慣行では、通常スパンで40から50フィートを超える長さの鋼鉄タワーの使用は想定されていない。
伝送線路のための鋼鉄タワーの最も強力な主張は、これらのタワーが木製ポールより大きな運用信頼性を与えることである。タワーは避雷針として機能し、線路導体と駅装置を保護すると言われている。静電および誘導の雷影響については、鋼鉄タワーが保護を与えないことは明らかである。各タワーに特別な接地接続がある場合、直接雷撃に対して線路をある程度保護するだろうが、この保護がよく接地されたガードワイヤー、または接地プレートから各ポールまたは木製タワーの頂部へのワイヤーによるものより大きいと考える理由はない。直接雷撃が線路導体から木製支持に通過する場合、その支持の絶縁体を頻繁に破壊し、ポールはしばしば粉砕または焼損する。しかし、このような結果は伝送サービスを必ずしも中断せず、近くのポールが新しいポールが設置されるまで線路の追加歪みを通常運べる。雷または他の原因で絶縁体が破損し、電気ケーブルが金属構造に接触した場合、導体が2つに焼損する可能性がある結果はかなり異なる。400フィートもの長いスパンでこのように切断された重いケーブルを修理するには確かに少し時間がかかる。20,000から35,000ボルトで動作する回路の導体が多くの場合木製クロスアームに落ちた場合、線路検査員が発見するまで損傷なくそこに残ることが多いが、鋼鉄タワーとクロスアームではそのような結果は期待できない（xxi, A. I. E. E., 760）。鋼鉄タワーが使用される場合、上記の理由で木製クロスアームを使用するのがより安全と思われる。これは、実際、命名されたシャンブリー運河を越える25,000ボルト回路を支持する鋼鉄タワーと、コルゲート発電所からカークィネズ海峡の1マイル幅を越える60,000ボルト回路を運ぶ鋼鉄タワーでの慣行である。
イタリアのグロモとネンブロ間の40,000ボルト伝送線路では、木材が不足し鋼鉄が安価なため、ポールとクロスアームの両方が木製である。線路が約400フィート離れたポイントで支持される場合に使用される絶縁体の比較的小さな数が運用信頼性に寄与すると思われるが、絶縁体は現在線路の他の部分よりトラブルが少なく、表面を通じたエネルギーの漏れはテリュライド試験で示されたように非常に少ない。長いスパンからの利益は鋼鉄支持と同じくらい木製で利用可能で、費用が少ない。
鋼鉄タワーに対する木製ポールまたは構造の1つの利点は、前者が燃えず、雷による破壊の対象ではないことである。長い線路がブラシ、木材、または長い草の多い地域を通過する場合、鋼鉄タワーが燃えないという事実が選択を望ましいものにするかもしれない。熱帯諸国では、昆虫が木製ポールを急速に破壊するため、鋼鉄タワーの使用がはるかに大きな費用でも非常に望ましいかもしれないし、そのようなケースはグアナフアト、メキシコへの線路で示されたかもしれない。
木製絶縁体ピンの機械的故障は、線路歪みの直接結果として、また導体からのエネルギーの漏れでピンが炭化して弱くなるため、ポールの故障よりはるかに一般的である。これらの理由で、高電圧で動作する長線路の絶縁体のための鉄または鋼鉄ピンの一般使用が望ましい。このようなピンは現在、スピアフォールズからアルバニーまでの40マイル30,000ボルト伝送と、ベアリバーからオグデン、ユタまでの45マイル28,000ボルト線を含む多くの木製ポールとクロスアームの線路で絶縁体を支持するために使用されている。鉄または鋼鉄ピンは線路の費用をほとんど追加せず、信頼性を大幅に増加させる。最も安価で最良の鋼鉄ピンの形態の一つは、鋼管からスエージされ、直シャンクとテーパーステムでショルダーなしのものである。このようなピンは、ナイアガラの滝からトロントへの190,000円形ミル銅ケーブルの400フィートスパンで、シャンクで3-1/4インチ長、テーパーで11-1/2インチで、直径が大きい端で2-3/8インチ、小さい端で1-1/8インチである。木製ポール間の150フィート未満のスパンでは、このタイプのピンだが直径がはるかに小さいものを有利に使用できる。
電力の量が非常に大きい長い伝送線路では、鋼鉄タワーで得られる追加信頼性が使用を正当化するのに十分大きいと思われる。しかし、大多数の電力伝送では、木製ポールまたは構造がはるかに安価で実用的であると思われ、長く続くであろう。
ナイアガラの滝からトロントまで60,000ボルトで24,000馬力を伝送する2つの回路を運ぶ75マイルの私設権利通路の鋼鉄タワー線は、このタイプの建設の最も顕著な例の一つである。
最終的に、線路の全長に沿って2列の鋼鉄タワーがあるだろう。
線路の直線部分では、鋼鉄タワーは定期的に400フィート離れて立てられるが、カーブではタワー間の距離が少なく、したがって各線路の総数は約1,400である。
線路沿いの標準カーブでは、タワーは50フィート離れて配置され、各タワーでの方向変化は10度を超えず、カーブの始まりと終わりでは3度である。線路の方向変化が6度を超えない場合、各変化で許可される対応スパンは以下の通りである：
度 分 スパンのフィート。
1/2 300
1 286
1-1/2 273
2 259
2-1/2 246
3 232
3-1/2 219
4 205
4-1/2 192
5 178
5-1/2 165
6 151
線路沿いのいくつかのポイントでは、条件によりタワー間のスパンが直線作業の通常距離である400フィートを超える必要がある。このような例の一つがトゥエルブマイルクリークで、川がエリー高原に広い深い峡谷を切っている。このポイントで線路はタワー間の625フィートスパンを作る。
[イラスト: FIG. 94.–転置タワー (第2タワー)。]
[イラスト: FIG. 95.–タワーの立面図と平面図。]
この伝送で使用される通常の鋼鉄タワーは、脚から下部絶縁体の頂部まで垂直高さ46フィート、上部絶縁体の頂部まで51フィート3インチである。このタワーの下部6フィートは地面に埋め込まれ、したがって絶縁体の頂部はそれぞれ地球から約40フィートと45フィート3インチである。地面でタワーは伝送線路に対して直角に14フィート、平行に12フィートである。各タワーの頂部の幅は線路に対して直角に12フィートで、この幅の2つの側面は地面から約40フィートで集まる。各タワーの側面でこのようにほぼ集まった2つのLバー間に、垂直位置で立つように余分な重い3インチ鋼管がボルト止めされる。この管の各ピースは約3-1/2フィート長で、上端に鋼鉄絶縁体ピンを運ぶ。このようにタワーの頂部の反対側に固定された2つの管ピースは2つの最高絶縁体を運ぶ。各タワーの他の4つの絶縁体については、ピンが標準4インチ管のピースに固定され、この管は水平位置で各タワーのほぼ矩形の2つの側面間にボルト止めされ、すでに命名された垂直3インチ管を位置に保持するボルトから2フィート下のポイントである。2つの短い垂直と1つの水平管、およびそれらが支持するピンを除いて、各タワーはボルト止めされたL形アングルバーで構成される。各タワーのほぼ矩形の2つの側面は、辺に2つのLバー、直角のクロスブレースに3つのLバー、対角ブレースに4つのLバーで構成される。各側面の辺のLバーの下半分は3″ × 3″ × 1/4″のセクションで、上半分は3″ × 3″ × 3/16″である。この最後のクロスブレースと他の2つのクロスブレースは2″ × 1-1/2″ × 1/8″の共通セクションである。下部の対角ブレースセットは2-1/2″ × 2″ × 1/8″の共通セクションで、上部セットは各部材で2″ × 1-1/2″ × 1/8″である。最下のクロスブレースのレベルで、タワーの2つの矩形側面は側面に対して直角の2″ × 1-1/2″ × 1/8″のLセクションの1部材と、タワーの角間の2つの対角ブレースの5/8″丸ロッドで結ばれている。各タワーの2つの三角形側面には、4つの水平ブレースと3セットの対角ブレースがある。2つの上部水平ブレースは2″ × 1-1/2″ × 1/8″のLセクションで、最下は同じだが、残りの水平ブレースは2-1/2″ × 2″ × 1/8″のセクションである。2″ × 1-1/2″ × 1/8″のLセクションのバーは2つの上部対角ブレースセットに使用され、2-1/2″ × 2″ × 1/8″のバーは下部セットに使用される。命名されたクロスブレースに加えて、各タワーの三角形側面は角バーの頂部近くで2つの短いクロスピースを持ち、共通のLセクション3-1/2″ × 3-1/2″ × 5/8″で、1つはクロスアームのちょうど上、もう1つは4インチ管のちょうど下でそれを所定位置に保持する。各タワーの4つの角バーの底で、脚は角バーに対して直角にリベットされた3″ × 1/4″のLセクションの15インチ長のピースで形成される。各タワーの1つの角バーには、ステップのための鋼鉄スタッドの2列があり、1列がLセクションの各フランジにある。同じフランジではこれらのステップは2フィート離れているが、両フランジを取ると1フィート離れている。各鋼鉄タワーのすべての部分は重く亜鉛メッキされている。
[イラスト: FIGS. 96, 97, 98.–ナイアガラ伝送線路でのタワー上げ。]
[イラスト: FIG. 99.–位置にあるタワーの一つ。]
これらの鋼鉄タワーを立てる労力は、使用された方法により低い数字に削減された。各タワーは組み立てられていない部品で立てる場所に運ばれた。タワーを立てるために、約30フィート長の木材ボディ付きの4輪ワゴンが使用された。タワーを上げる際、2つの輪とその車軸がワゴンの木材ボディから取り外され、このボディは一種のデリックとして立てられた。このデリックはタワーから離れた側で頂部でガイされ、次にブロックとタックルのセットがデリックの頂部とタワーの頂部から1/4の距離のポイントに接続された。このブロックセットからのロープは、デリックの基部に固定された単一ブロックを通り、次に馬のチームに通った。これらの馬をデリックから離して運転すると、鋼鉄タワーはその矩形側面の1つの2本の脚で徐々に垂直位置になるまで上げられた。次の操作は、タワーの脚を地球に固定された延長ピースに接触させ、次にそれらをボルト止めすることであった。
[イラスト: FIG. 100.–伝送線路のための鋼鉄タワー。]
各三相回路の絶縁体を運ぶ3つのピンの頂部は正三角形の角にあり（Fig. 100）、その辺のそれぞれが6フィートである。各タワーで使用される6つの鋼鉄絶縁体ピンは全く同じで、各々は余分な重い管からスエージされる。各完成ピンは長さ3-1/4インチで直径2-3/8インチ、次に11-1/2インチの長さで頂部で直径1-1/8インチに均一にテーパーする。これによりピンの総長は14-3/4インチになる。大きい部分には側面から側面への2つの9/16インチ穴があり、頂部から2インチ以内に各3/16インチ幅で1/16インチ深の3つの円形溝がある。鋼鉄ピンを管に取り付けるための2種類の鍛造鋼鉄ソケットが使用される。各ソケットは半分で作られ、これらの半分は管とピンの両方に貫通ボルトで固定される。タワーの他のすべての部分のように、これらの鋼鉄ピンとソケットは重く亜鉛メッキされている。各タワーの4つの角バーのそれぞれの下部6フィートの長さは、ボルトまたはリベットで上部に固定される。各角バーのこの下部6フィートは地球に埋め込まれ、命名された建設は腐食が必須になったときに地球内のバーを置き換えやすくする。
各タワーの基礎は、伝送線路の方向に対して約45度の側面でほぼ正方形の4つの穴を掘り、各穴の最短側を少なくとも2フィート長にする。これらの穴の中心は線路に対して直角に14フィート3インチ、線路平行に13フィート9インチ離れている。ハードパンでは、タワーの脚が位置にある後、各穴は頂部から2フィート6インチ以内に石で満たされ、次に残りの穴は4対1で混合されたセメントグラウトで満たされる。
沼地では、各穴の底にタワーの脚の下に平らに敷かれた3フィート × 6インチ × 24インチの木製基礎があり、次に穴は掘削された材料で表面から2-1/2フィート以内に満たされる。この充填の上に、タワーの脚についてセメントで満たされた直径4インチの亜鉛メッキ鉄製ガターパイプが2フィートの長さで来る。このパイプの外側で穴はセメントグラウトで丸く満杯にされる。
[イラスト: FIG. 101.–ウェランド運河での伝送線路。]
伝送線路沿いのいくつかのポイントでは、例外的に高いタワーが必要で、注目すべき例はウェランド運河の横断で、各スパンの最低部分が水面から150フィート以上でなければならない。この横断のために、地上から135フィート高い2つのタワーが使用され、Fig. 101に見られる。各々のこれらのタワーは、最終的にナイアガラの滝とトロント間に立てられる4つの三相電力回路すべてを運ぶように設計されている。この目的で、上部トラス下で線路の方向に対して直角に約48フィートの幅、上部トラスで各回路の下部2導体が取り付けられる約68.5フィートの幅の特殊設計タワーが使用された。
400フィートを超えるすべてのスパンでは、標準タイプより重い建設のタワーが使用され、このタワーは各導体の支持に3つの絶縁体を提供する。このタイプのタワーで地面レベルから約40フィート下部導体を支持するものは、4″ × 4″ × 3/8″と4″ × 4″ × 5/16″のLセクションで作られた角バー、余分な重い4インチ管の3つのクロスアーム、各回路の最高導体の3つの絶縁体グループを支持するための各垂直標準6インチ管を持つ。各回路の下部導体のそれぞれはこのタワーの3つの平行クロスアームの各々に絶縁体で支持される。これらのタワーのいくつかで長いスパンでは、各導体の支持のための2つの外側絶縁体はそれらの間の絶縁体より少し低く設定される。
[イラスト: FIG. 102.–クレジット川での重いタワー。]
[イラスト: FIG. 103.–ブロンテ近くのアングルタワー。]
アングルタワー、線路が単一ポイントで大きな方向変化をする場所で使用され、各矩形側面に3本の脚を持ち、地面からある距離でこれらの側面の各々に20フィートの幅、頂部で27フィート2インチの幅を持つ。これらのタワーでは、圧縮にある三角形側面の2本の脚は各々4つの3″ × 3″ × 1/4″ Lセクションで構成され、1-1/2″ × 1/4″のラティスとリベットで結合される。このようなタワーは、トロント終端駅近くで線路が単一ポイントで35度変化する場所と、トゥエルブマイルクリークの横断近くでタワー上の線路の角変化が45度である場所で使用される。各終端駅と分割ハウスに近い伝送線路は終端タワーで支持される。これらのタワーは他のものと異なり、各々は3つの導体のみのための絶縁体を運び、これらの絶縁体はすべて同じレベルである。各終端タワーは9つの絶縁体を持ち、単一回路の導体のために3つの平行列に3つずつ配置され、各導体はその歪みを3つのピン間で分散する。回路のすべての3ワイヤーは終端タワーで地面から40フィートに保持され、同じレベルで駅の壁の入り口に通じる。これらの終端タワーは線路の端歪みに抵抗する必要があるため、余分に重く作られ、4本の脚は各々4″ × 4″ × 5/16″と4″ × 4″ × 3/8″のLセクションで構成される。これらのタワーの一つで3つのクロスアームは、各々15フィート9インチ長の4インチ管の3ピースで、頂部で固定され、それらの平行中心線は同じ平面で30インチ離れている。これらの管の各々は中心が7フィート4-1/2インチ離れた3つの絶縁体ピンを運ぶ。これらのタワーの各脚の底には、曲げられたプレートで形成された脚があり、2つの長い側面でそれぞれ15インチと18インチを測る。このタワーの各脚は地面レベルから3.5フィートから7.5フィートまで広がる5フィート正方形のコンクリートブロックに設置される。
伝送線路のための絶縁体、Fig. 104に示されるものは、茶色の艶出し磁器で3つの部分で作られ、セメントで結合される。3つの部分は3つのペチコートまたはシンブルで構成され、各々が他のものにスリップオーバーまたはイントゥするので、絶縁体の頂部とそのピン間に3つの外側表面と3つの内側または保護された表面がある。
各絶縁体の頂部から底までの高さは14インチで、これは最高で最大のペチコートの直径でもある。次のまたは中間のペチコートは最大直径10インチで、最低のペチコートは8インチである。セメントは絶縁体の最低ペチコートを以前記述された鋼鉄ピンの一つに保持し、この位置で最低ペチコートの端は鋼鉄支持から約2-1/2インチである。各絶縁体の頂部で伝送導体が固定され、この導体から空気を通じた鋼鉄部品への最短距離は約17インチである。
ナイアガラの滝のステップアップ変圧器ハウスからトロントの終端駅までの75マイルで、各三相60,000ボルト25サイクル回路は鋼鉄タワー上で各々190,000円形ミルの硬引き銅ケーブル3本で構成され、100パーセント力率ベースで10パーセント損失で12,000馬力を届けるように設計されている。6つの等しい銅ストランドが各ケーブルを構成し、このワイヤーは35,000ポンド以上の弾性限界と平方インチあたり55,000ポンド以上の引張強度で特別に引き抜かれた。このケーブルは3,000フィートの均一長さで作られ、これらの長さは端を銅スリーブでねじり合わせて結合され、はんだは使用されない。これらのケーブルには絶縁が使用されない。
[イラスト: FIG. 104.–絶縁体。]
タイワイヤーの代わりに、各絶縁体に銅ケーブルを固定するための新規クランプが使用される。この完全なクランプは、各絶縁体の反対側でケーブルを把握する2つの別個のクランプと、直径0.187インチの硬引き銅ワイヤーの2つの半円で構成される。このワイヤーの各半円は反対クランプの各半分を結合し、絶縁体のヘッド直下のネックにフィットする。結合クランプを適用する際、側面はそれらを保持するナットを外して分離され、半円は絶縁体のネック周りに持ち込まれ、次に各側クランプは半分を引き寄せるナットを回してケーブルに締め付けられる。この完全なクランプはタイワイヤーと同じくらい速く適用でき、非常に強く、ケーブルを切らない。
各通常の鋼鉄タワーは絶縁体で10,000ポンドの側歪みを安全に耐えるように設計され、ケーブルあたり平均1,666ポンドである。190,000ミルケーブルが1/2インチ深さに氷で被覆され、時速100マイルの風にさらされた場合、異なるスパンと線路の方向の角変化に対する各鋼鉄ピンの推定歪みは付属の表に与えられる：
ポンド ピンへの歪み、1/2インチスリート、100マイル風。
=====+=========================================
| 度と分。
スパン,+—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–
フィート.| 0 | 0.30| 1 | 1.30| 2 | 2.30| 3
—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–
0| 0| 35| 69 | 104| 138| 173| 207
100| 256| 291| 325| 360| 394| 429| 463
200| 512| 547| 581| 616| 650| 685| 719
300| 768| 803| 837| 872| 906| 941| 975
400|1,024|1,059|1,093|1,128|1,162|1,197|1,231
500|1,280|1,315|1,349|1,384|1,418|1,453|1,487
600|1,536|1,571|1,605|1,640|1,674|1,709|1,743
700|1,792|1,827|1,861|1,896|1,930|1,965|1,999
800|2,048|2,083|2,117|2,152|2,186|2,221|2,255
900|2,304|2,339|2,373|2,408|2,442|2,477|2,511
1,000|2,560|2,595|2,629|2,664|2,698|2,733|2,767
—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–
=====+===================================
| 度と分。
スパン,+—–+—–+—–+—–+—–+—–
フィート.| 3.30| 4 | 4.30| 5 | 5.30| 6
—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–
0| 242| 276| 311| 345| 380| 414
100| 498| 532| 567| 601| 636| 670
200| 754| 788| 823| 857| 892| 926
300|1,010|1,044|1,079|1,113|1,148|1,182
400|1,266|1,300|1,335|1,369|1,404|1,438
500|1,522|1,556|1,591|1,625|1,660|1,694
600|1,778|1,812|1,847|1,881|1,916|1,950
700|2,034|2,068|2,103|2,137|2,172|2,206
800|2,290|2,324|2,359|2,393|2,428|2,462
900|2,546|2,580|2,615|2,649|2,684|2,718
1,000|2,802|2,836|2,871|2,905|2,940|2,974
—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–
銅ケーブルはスパンの最低点で地面からの最小距離25フィートになるように張られた。これを行うために、下部ケーブルを絶縁体で地面レベルから40フィート保持する標準鋼鉄タワーは、それらの間の地面の性質に応じてさまざまな距離で離れている。各タワーで各回路の上部ケーブルは2つの下部ケーブルより5フィート3インチ高く、この上部と下部ケーブルの標高間の距離は各スパンの中心でのたるみの量に関わらず維持される。線路の直線部分の2つの標準タワー間に窪地がある場合、400フィートスパンの中心でのたるみは18フィートにもなる。タワー間の地面の上下でたるみを14フィートに制限する必要があり、下部ケーブルを地球の最高点から25フィートに保つ場合、40フィートタワーでのスパン長は350フィートに制限される。地面レベルの上下がたるみを11フィートに制限する場合、スパン長は300フィートに減少し、同様の理由でたるみが8フィートに制限される場合、スパンは250フィートのみである。
[イラスト: FIG. 105.–終端タワーでのテイクアップ配置。]
各終端タワーで、ケーブルが終端駅に通る前に固定される場所では、各ケーブルの3つの絶縁体は中心が30インチ離れた直線にある。線ケーブルがこれらのタワーの一つで取り付けられる3つの絶縁体の最初のものに達すると、この絶縁体のネック周りに通され、次にボルトとナットで締め付けられる2つのクランプで自身に固定される。Fig. 105参照。このように固定されたケーブルは3つの絶縁体の頂部を上って後ろに曲がり、終端駅に行く。線ケーブルが上記のように固定された絶縁体のネック周りに、両端にターンバックルの部分を持つ通常の銅ケーブルの短い分離長さが通され、この同じケーブルピースは3つのシリーズの次の絶縁体のネック周りにも通される。ターンバックルの端を結合して締め付けることで、問題の線ケーブルの歪みの一部がシリーズの最初の絶縁体から2番目に転送される。同様に、この同じ線ケーブルの歪みの一部がシリーズの2番目の絶縁体から3番目、または終端駅に最も近いものに転送される。
INDEX.
空気噴射冷却変圧器, 129
空気ギャップデータ, 183
空気ギャップ, 与えられた電圧に耐える直列数, 183
アルバニー-ハドソン鉄道プラント, 121
交流電流, 227
オルタネータ電圧, 118
オルタネータ, 103
データ, 118
高電圧用, 120
インダクタ, 112
タイプ, 111
アルミニウム導体, 200, 209
使用中のケーブル, 213
導体ジョイント, 206
導体, 27, 28
腐食, 211
特性, 212
はんだ付けジョイント, 206
vs. 銅, 209
ワイヤー, コスト, 29
アモスキーグ製造会社プラント, 51, 52
アムステルダム (N. Y.) プラント, 121
アンカーアイス, 59
アンダーソン (S. C.) プラント, 121
アップルリバー (Minn.) プラント, 1, 26, 27, 28, 71, 97, 98, 99, 102, 118,
119, 124, 126, 127, 134, 174, 187, 190, 192, 208, 245, 264, 294
アーク照明, 167
アーク放電, 46
自動調整器, 162
有刺鉄線, 169, 175
ベルト駆動, 83, 107
ビエンヌプラント (スイス), 42
バーチェムベンド, 57, 67, 79, 95, 97, 98, 102
ブロワー容量, 変圧器冷却に必要な, 130
ブースター, 133
ボストン-ウースター鉄道プラント, 121
ブレース, クロスアーム用, 259
ブロンズ導体, 200
ブラシ放電, 281
ブキャナン (Mich.) プラント, 88
建築材料, 95
ブルズブリッジプラント, 63
バーダインレット (B. C.) プラント, 111, 112
バスバー, 142, 147
ダミー, 145
ケーブル絶縁, 195
シース, 194
ウェイ, 140
ケーブル, アルミニウム, 212
使用中のアルミニウム, 213
充電電流, 197
コスト, 188, 196
交流電流用, 194
高電圧, 191
紙絶縁, 196
海底, 192
温度, 198
電圧, 190, 196
カナディアン-ナイアガラフォールズ電力会社, 121
カナル, 51, 53
長い, 68
キャニオンシティプラント, 26, 27, 28, 117, 118, 127, 208
キャニオンフェリープラント, 1, 3, 26, 27, 28, 46, 49, 53, 62, 68, 69, 83, 89,
94, 95, 97, 102, 105, 112, 113, 118, 119, 124, 125, 126, 127, 130,
132, 134, 174, 208, 233, 234, 245, 246, 249, 254, 257, 259, 268, 272,
280, 282, 294, 295, 302
シーダーレイクプラント, 90
シャンブリープラント, 96, 110, 149, 156, 172, 189, 249, 255, 256, 257, 267,
272, 287, 294, 295, 311, 312
ケーブル充電電流, 197
ピンの炭化, 276, 278
ショーディエールフォールズプラント, 118
チョークコイル, 避雷器使用, 180
サーキットブレーカー, 135, 150
ブレーカー, タイムリミット, 152
回路, 選択, 233
石炭, ソルトレイクシティでの価格, 8
コルゲートプラント, 1, 3, 26, 27, 28, 74, 82, 83, 90, 94, 97, 98, 99, 101,
102, 108, 112, 113, 118, 127, 130, 132, 134, 187, 190, 201, 206, 208,
213, 245, 246, 250, 254, 257, 272, 277, 280, 282, 294, 295, 304, 309
コロンバス (Ga.) プラント, 83, 115
コンバウンド, 160
導電率, 導体金属の, 201
導体, 200
アルミニウム, 27, 28, 206
アルミニウム特性, 212
膨張係数, 200
腐食, 211
コスト, 22, 29, 203, 204, 205
アルミニウムコスト, 29
k.w.あたりコスト, 28
銅コスト, 29
データ, 204
代表的な伝送プラントからのデータ, 208
アルミニウムと銅の膨張, 211
融点, 200
伝送線路の最小サイズ, 202
理想的な特性, 200
相対導電率, 201
相対コスト, 20
等長等抵抗の相対特性, 204
与えられた面積の相対強度, 203
与えられた導電率の相対重量, 202
相対重量, 202
三相、二相、単相線の相対重量, 220
抵抗, 225
スキン効果, 206, 233
k.w.あたり重量, 27
導管, 195
放射損失, 198
温度上昇, 198
定電流調整器, 167
変圧器, 167
制御機器, d.c.とa.c.プラント用, 35
銅導体, 200
コスト, 22
vs. アルミニウム, 209
ワイヤー, コスト, 29
導体の腐食, 211
クロスアームブレース, 258
鉄, 284
位置, 257
材料, 258
クロスアーム, 49, 256
横断, 187
デールズプラント (ホワイトリバー), 26, 27, 28, 71, 134, 208
ダム, 62
デルタ接続, 131
減価償却, 11
発電所設計, 83
堤防, 60
直結, 84
放電, 静的, 170
配電システム, 158
ドラフトチューブ, 79
ダミーバスバー, 145
イーストン (Pa.) プラント, 121
エジソン社 (ロサンゼルス) プラント, 118
定電圧伝送効率, 217
曲線, モータージェネレーターセット, 117
変圧器, 133
a.c.とd.c.伝送の相対, 35
エレクトラプラント, 1, 3, 74, 82, 83, 92, 94, 97, 98, 101, 102, 108, 112,
113, 118, 127, 174, 206, 208, 212, 213, 233, 235, 236, 245, 248, 253,
254, 256, 259, 272, 275, 277, 280, 281, 282, 294, 295
電気開発社, ナイアガラプラント, 120
電力 vs. ガス, 6
電解, 195
水力発電所からのエネルギー曲線, 13
電気エネルギー, スイッチボードでのコスト, 23
入り口端歪み, 261, 325
絶縁ディスク, 262
建物への, 179
線路の, 179, 261, 265
屋根を通る, 269
壁開口部, 262
伝送線路の入り口, 261
膨張, 銅とアルミニウムの係数, 211
各種導体金属の係数, 200
ファーミントンリバー (Conn.) プラント, 26, 27, 28, 58, 118, 125, 134, 208,
212, 213,
245
フィーダー, 143
フェランティケーブル, 192
耐火, 95
床, 地面からの距離, 95
位置, 79
スペース, 12, 101, 102
ジェネレーターのk.w.あたりスペース, 12
床, 95
霧, 46, 277
フォアベイ, 59, 60
基礎, 95
周波数, 113, 127
変圧器コストへの影響, 116
燃料, ソルトレイクシティでの価格, 8
ヒューズ, 135, 150
ガービンズフォールズプラント, 56, 60, 79, 80, 94, 96, 97, 102, 113, 145, 240,
294
ガス vs. 電力, 6
ギア, 84, 108
ジェネレーター (a.c.), 103
d.c. vs. a.c., 31
ジェネレーター, ベルト駆動, 107
容量, 32
コスト, 40
(a.c.) コスト, 32
(a.c.) データ, 118
直結水平タービン, 89
インパルスホイール, 90
垂直シャフトへの接続, 84
(d.c.) 界磁励磁, 41
床スペース, 101
k.w.あたり, 12
ギア駆動, 108
(a.c.) 高電圧, 120
(d.c.) 直列, 31
(d.c.) 設置, 41
絶縁, 39, 45
避雷保護, 34
制限電圧, 44
(a.c.) 制限電圧, 32
(d.c.) 制限電圧, 31
過負荷容量, 103
電圧と容量の関係, 127
回転電機子, 112
界磁, 112
直列巻線, 41
速度調整, 38
ガラス vs. 磁器絶縁体, 288
グレートフォールズプラント, 54, 60, 61, 64, 67, 78, 92, 93, 102, 114, 118
グレッグスフォールズプラント, 54, 56, 64, 240
接地接続, 178
ガードワイヤー用, 171, 172
接地ガードワイヤー, 168
ガードワイヤー, 168
設置, 175
ポールのガイ, 255
ハグネック (スイス) プラント, 86
フックセットフォールズプラント, 56, 131
水力発電プラント, 1
ダムで構築, 64-67
カナル, 長い, 68-73
長短, 58
短い, 53-56
各種プラントの容量とk.w.あたり導体重量, 27
(800 k.w.) コスト, 10
(1500 k.w.) コスト, 11
労務コスト, 12
運用コスト, 12, 77
設計, 83
床, 79
k.w.あたりスペース, 101
金利と減価償却, 11
連結, 56-58
負荷率, 14, 15
位置, 64
モデル設計, 12
運用, 59
vs. 蒸気プラント, 5, 12
パイプライン使用, 73-77
蒸気補助使用, 84
アイス, 59
インパルスホイール速度, 108
ホイール, 82, 90
位置, 99
インディアンオーチャードプラント, 57, 84
インダクタンス, 206, 230
誘導, 電磁的, 静電的, 168
線路上, 206
調整器, 162
インダクタオルタネータ, 112
絶縁, オゾン影響, 197
紙vs. ゴムコスト, 196
a.c.とd.c.線路, 34
装置, 142
ケーブル, 195
電気機械, 45
ジェネレーター, 39
オゾン保護, 198
絶縁体アークオーバーテスト, 291
-ピン, 270 (ピン参照)
絶縁体, 277, 282, 287, 322
とピン, 各種プラントデータ, 280
不良, 288
ガラス vs. 磁器, 288
雪中, 293
鉄ピンへの固定方法, 271
新規クランプ, 323
各種伝送線路, 294
ペチコート, 294
テスト, 288
テスト, 290
テスト電圧, 289
オイル使用, 287
鉄導体, 200
ケリーズフォールズプラント, 56
ケルビンの法則, 219
労務, コスト, 12
水力発電所, 12
漏れ, 275, 287
線路, 207, 214
ルイストン (Me.) プラント, 118, 120, 122, 167, 213
照明, 白熱, 最小周波数, 116
直列配電, 167
避雷器, 直列抵抗影響, 185
避雷器, 168, 176
接地接続, 178
複数空気ギャップ, 176, 183
非アーク金属, 184
直列接続, 180
シャント空気ギャップ, 185
チョークコイル使用, 180
保護, 34
線路計算, 221-232
充電電流, 197
導体, 200
導体, コスト, 22
重量, 21
建設, 222
コスト, 310
クロスアーム, 49
ワイヤー間隔, 46
(a.c.) 伝送, 34
(d.c.) 伝送, 33
端歪み, 325
漏れ, 47
損失, 39
接地ガードワイヤーによる損失, 176
線路, たるみ, 309
線路の転置, 314
線路電圧, 45
負荷率, 14, 15
照明, 61
最大, 60
モーター, 160
鉄道, 164
導管損失, 198
導体重量との関係, 215
接地ガードワイヤーによる損失, 176
伝送線路損失, 215
ラドローミルズプラント, 26, 27, 28, 57, 79, 100, 121, 208, 213
マドリード (N. M.) プラント, 26, 27, 28, 118, 208
マンチェスター (N. H.) プラント, 120
電力市場, 7
材料, 建築, 95
線路導体用, 200
メカニクスビルプラント, 58, 67, 109, 121, 174
導体金属の融点, 200
モンモランシーフォールズプラント, 26, 27, 28, 240
モーター負荷, 160
モータージェネレーターセット効率曲線, 117
モーター, 直列巻線, 41
(d.c.) 速度調整, 38
同期, 241
複数空気ギャップ避雷器, 176
ニードルポイントスパークギャップ, 圧力測定用, 290
ネバーシンクリバープラント, 75, 179
ナイアガラフォールズ電力会社, 3, 59, 81, 86, 87, 93, 94, 95, 97, 101, 102,
105, 106, 107, 108, 112, 113, 117, 118, 119, 127, 133, 137, 140, 143,
145, 151, 153, 161, 165, 170, 181, 188, 194, 195, 208, 211, 240, 245,
246, 257, 272, 273, 275, 280, 287, 289, 294, 295, 297
空気からの硝酸, 281
非アーク金属, 184
ノースゴーハム (Me.) プラント, 120
オグデン (ユタ) プラント, 26, 27, 28, 118, 120, 132, 134, 208, 245
オームの法則, 223
オイルスイッチ, 136
オンタリオ電力会社, 121
運用費用, 59
運用, コスト, 12, 77
運用, 信頼性, 311
ウーレイ (Col.) プラント, 121
架空線路から地下への接続, 197
ジェネレーターの過負荷容量, 103
オゾン, 197
ポールの塗装, 255
紙絶縁ケーブル, 196
vs. ゴム絶縁, 196
パヤッテリバー (アイダホ) プラント, 73, 101
ペンストック, 59, 98
位相, 113
パイクスピークプラント, 77
パイロットワイヤー, 161
ピン, 259, 270
と絶縁体, 各種プラントデータ, 280
焼損, 270, 276, 278
炭化, 276, 278
複合, 281
木材の圧縮強度, 302
設計, 298
寸法, 301
直径の公式, 299
鉄, 275, 285, 286
膨張, 290
絶縁体固定方法, 271
クロスアームへの固定方法, 271
金属, 271, 275, 282, 285, 286
均一強度, 300, 302
比率, 301
金属と木製の相対コスト, 284
シャンク, 274
ショルダー, 275, 299, 305
ねじ山の軟化, 280
鋼鉄, 275, 312
1/2インチスリートと100マイル風での歪み, 324
歪み, 270, 298
強度, 303
標準表, 301
処理, 259, 275
最弱点, 298
木製, 各種プラントデータ, 272
寸法, 272
標準寸法, 273
パイプライン, 73
ピッツフィールド (Mass.) プラント, 121
ポールライン, コスト, 21
避雷器, 179
相対コスト, 20
線路, 246
ポール, コスト, 310
地面深さ, 254
直径, 254
寸法, 254
ガイ, 255
鉄, 284
長さ, 253, 309
寿命, 255
設置, 252
間隔, 249
鋼鉄, コスト, 307
処理, 255
木材, 252
磁器 vs. ガラス絶縁体, 288
ポートランド (Me.) プラント, 120, 166, 239
ポーツマス, N. H. プラント (蒸気), 102, 118, 119, 120, 121, 144, 194,
264, 294
発電所, a.c.とd.c.の相対コスト, 36
伝送電力, 総コスト, 24
導管放射損失, 198
鉄道横断, 187, 252
サービス, 164
レッドブリッジプラント, 53, 60, 79, 93, 94, 96, 97, 99, 101, 102
調整, 155, 239
同期モーター影響, 165
受信端, 162
手動, 161
調整器, 自動, 162
定電流, 167
誘導, 162
リレースイッチ, 145
抵抗, 225
避雷器直列, 185
回転電機子オルタネータ, 112
界磁オルタネータ, 112
川横断, 187, 190, 249
床, 床からの距離, 95
屋根, 95
ロープ駆動, 83
ロータリー, コスト, 117
適した周波数, 115
ゴム被覆ケーブル, 195
最大温度, 198
オゾン保護, 198
線路たるみ, 309
セントハイアシンス (Que.) プラント, 118
セントジョセフプラント, 66
セントモーリスプラント (スイス), 31
セーラム (N. C.) プラント, 121, 122
サンガブリエルキャニオンプラント, 26, 27, 28, 208
サンタアナプラント, 1, 26, 27, 28, 74, 76, 82, 83, 92, 94, 95, 96, 97,
98, 99, 101, 102, 208, 245, 263, 280, 281, 294, 295, 296
ソールトサントマリープラント, 72, 83, 85, 89, 97, 102, 104, 105, 112, 113,
117, 118, 120, 127
スコットシステム, 132
直列配電, 167
機械, 41
シーウォールズフォールズプラント, 26, 27, 28, 155
シャウィニガンフォールズプラント, 1, 70, 71, 107, 116, 117, 163, 164, 166, 209,
212, 213, 235, 236, 242, 245, 267, 272, 273, 280, 282, 294, 295, 296
ケーブルシース, 194
シャント空気ギャップ, 185
スキン効果, 206, 232
スノクォルミーフォールズプラント, 3, 4
伝送線路地図, 4
雪, 293
はんだ付けジョイント, 206
ポール間隔, 249
ワイヤー, 234
スパン, 長い, 190, 250
異なる長さの歪み, 324
スパーク距離, 182
電圧, 182
速度, インパルスホイールの周辺, 108
タービンの周辺, 85, 103
調整, 38, 42
d.c.モーター, 38
スピアフォールズプラント, 1, 2, 3, 54, 58, 61, 62, 68, 91, 94, 98, 124, 126,
127, 130, 141, 142, 146, 161, 174, 236, 237, 243, 244, 245, 250, 253,
266, 280, 285, 287, 289, 291, 294, 295, 296, 312
スター接続, 131
静的放電, 170
蒸気と水力発電所併用, 84
電気プラント, 労務コスト, 12
運用コスト, 12
k.w.あたり床面積, 102
vs. 水力, 5
鋼鉄タワー, 306
貯蔵容量, 15
避雷器直列抵抗影響による絶縁歪み, 185
迷走電流, 保護, 195
海底ケーブル, 187, 192, 194
サブステーション, 装置配置, 128
サブステーション, 157, 237
サージ, 136
スイッチボード, 156
配線, 146, 148, 149
スイッチ, 135, 244
アーク, 135
電動操作, 140
長いブレーク, 135
オイル, 136
屋外, 136
空気圧操作, 140
動力操作, 138
リレー, 145
スイッチハウス, 141, 142, 238, 244
スイッチング, 146
高張力, 147
同期コンバーター, 115
コスト, 117
モーター, 165, 241
テールレース, 96
電話, 161
テリュライドプラント, 47, 160, 169, 181
ケーブル温度, 198
導管温度上昇, 198
導体金属の引張強度, 201
タイムリミットサーキットブレーカー, 152
タイムリレー, 152, 153
タワー, 250, 306
アングル, 320
コスト, 310
寸法, 314
立て込み, 316-319
重い, 320
運用信頼性, 311
スパン, 313
鋼鉄, コスト, 307, 308
鋼鉄ピン, 312
歪み, 324
変圧器, 122
空気噴射 vs. 水冷, 129
人工冷却, 129
サブステーション, 125
冷却に必要なブロワー容量, 130
定電流, 167
冷却, 水量, 129
運用コスト, 129
相対コスト, 20
デルタとスター接続, 131
効率, 133
周波数影響, 116
絶縁, 45
伝送システム, 134
制限電圧, 32
位置, 97
多相, 124
調整, 125
リザーブ, 149
二次, 直列, 131
単相, 124
二相から三相, 132
降下補償用, 133
電圧調整用, 162
電圧, 45
使用時, 122
伝送, 定電流, 38, 216
定電圧, 40, 217
連続電流, 31, 32
制御機器, 35
コスト, 19, 40, 222
(d.c.) コスト, 40
効率, 35, 41
最初の長い線路, 37
ジェネレーター端, 103
避雷保護, 34
制限電圧, 44
線路, アーク, 46
計算, 221-232
充電電流, 197
建設, 222
コスト, 310
クロスアーム, 49, 256
横断, 187, 190
各種プラントデータ, 245
長さコスト影響, 20
電力コストへの長さ影響, 24
効率, 22, 24
建物入り口端歪み, 325
建物入り口, 179, 261
インダクタンス, 206
誘導, 168
絶縁, 34
絶縁体 (絶縁体参照), 287
絶縁体ピン (ピン参照), 270
金利, 維持, 減価償却, 22
漏れ, 47, 207, 214
長さ, 容量, 供給人口, 8
避雷器 (避雷器参照), 179
避雷保護, 118
長いスパン, 190
損失, 22, 39
損失, 215
線路最大投資, 220
運用, 311
ポール間隔, 249
同期モーター調整, 241
三相、二相、単相の相対重量, 228
権利通路, 246
線路たるみ, 309
ワイヤー間隔, 234
鋼鉄タワー (タワー参照), 306
スイッチハウス, 238
スイッチ, ヒューズ, サーキットブレーカー, 135
テイクアップ配置, 325
総コスト, 22
運用総コスト, 23
ワイヤー転置, 206, 314
電圧, 21, 215
ケーブル, 190
調整, 130
風圧, 210
長い線路, 221
最小サイズワイヤー, 202
物理的限界, 44
a.c.ポールライン建設, 34
d.c.ポールライン建設, 33
ポールライン, 246
問題, 19
調整, 155, 239
回路選択, 233
単一 vs. 並列回路, 241
導体間隔, 46
海底, 187
三相, 113
三相と二相, 228
二相, 113
地下, 187
昇圧変圧器なし, 120
ワイヤー転置, 206
タービン, 高速, 107
水平, 79, 83, 89, 97
インパルス, 82, 90, 99
速度, 108
低水頭良速度, 105
周辺速度, 85, 103
圧力, 79
同一シャフト複数, 85, 105
垂直, 79, 84, 85, 86, 97
架空線路から地下ケーブル接続, 197
ケーブル, 187
ビクター (Colo.) プラント, 26, 27, 28, 208
バージニアシティプラント, 118
電圧降下補償, 133
変動, 218
高, オルタネータ, 120
測定, 290
ケーブル, 190, 196
制限, 44
a.c.機械, 32
d.c.機械, 31
伝送線路, 21, 215
調整, 130, 155
スパーク, 182
絶縁体テスト, 289
マイルあたりボルト, 26
従業員賃金, 12
壁, 95
ワシントン&ボルチモア鉄道, 121
流出, 81
水冷変圧器, 129
水力, 開発, 51
高水頭, 74-77
低水頭, 51-74
エネルギー利用率, 16
純粋水力開発, 51
駅 (水力発電駅参照)
貯蔵容量, 15, 61
利用, 10
vs. 蒸気, 5
水, 貯蔵, 15, 61
導体金属の重量, 202
ウェランドカナルプラント, 1, 26, 27, 28, 208, 245, 248
ウェストブルック (Me.) プラント, 120
ホワイトリバーからデールズプラント, 26, 27, 28, 71, 134
風, 324
線路圧力, 210
ワイヤールーム, 139
木材, 圧縮強度, 302
ポール用木材, 252
ヤドキンリバー (N. C.) プラント, 26, 27, 28, 118, 208
転写者のノート
この転写は元の作品のテキストを使用しています。
不整合（例: per cent. と per cent; Chambly と Chamblay;
Garvin’s と Garvins Falls; 1-0 と 1/0 B. & S. ゲージ; ハイフネーション;
大文字; イタリック使用など）は以下のように修正されたものを除いて保持されています。本書の一部の計算は提供されたものと異なる結果を与えます; これらは修正されていません。
この本では、「cm.」は円形ミルではなく、センチメートルを表していません。
ページ76, Fig. 16: イラストの中央のテキストはおそらく1200 feet Pipe Lineです。
ページ111: 図44と46の間に元の本には図51_a_があります; 番号付けは変更されていません。
変更:
明らかな軽微なタイポグラフィと句読点の誤りは黙って修正されました。
分数はx/yに標準化; すべてのvs.の発生はイタリック化。
インラインマルチライン公式はシングルライン公式に変更。
目次: インデックスが追加。
ページ15: テーブルヘッダーを他のもののように小文字に変更
ページ31: Electrical transmission を Electrical transmissions に変更
ページ56: Canon を Cañon に変更
ページ77: Tlaluepantla を Tlalnepantla に変更
ページ312: Teluride を Telluride に変更
ページ332: Canon を Cañon に変更。
*** プロジェクト・グーテンベルクのEブック『水力の電気伝送』の終わり ***
ここで考慮されたすべての発電所は水平軸で運転する水車と発電機で装備され、これは一般的な慣行です。この配置は発電機と発電所の床を尾水のレベルの数フィート以内に持ちます。タービンホイールにドラフトチューブの一般的使用で発電所の床は尾水レベルの上20フィート以上にしばしば保たれます。
利用可能な水頭の合計がかなり小さい場合、しばしば水の量が大きい川の場合のように、発電所の床レベルを尾水の数フィート以内に下げるのが一般的に必要です。マサチューセッツ州スプリングフィールドの電動システムのバーチェムベンド発電所はこのような良い例を提供し、この発電所の床は通常の尾水レベルの上わずか2.6フィートです。この発電所では頭水と尾水のレベルの差はわずか14フィートで、名付けられた低い床レベルでさえ水平タービンホイールのトップ側は水で4.5フィートだけ覆われています。
ニューハンプシャー州マンチェスターの電動システムのガービンズフォールズ発電所では発電機室の床のレベルはこの発電所が位置するメリマック川の通常のレベルの上13フィートですが、この場合水頭の合計は約28フィートです。ガービンズフォールズ発電所が建設される前の1896年のメリマックの高い水はこの現在の床レベルの上5.24フィート、発電所が位置する地点の川の通常のレベルの上18.24フィートに到達しました。
マサチューセッツ州チコピー川上のラドロー製造会社のレッドブリッジ電動発電所の下では尾水は床のレベルの下20フィートで水車と発電機軸の中心の下24フィートです。この発電所での車輪軸と尾水レベルの差は水平圧力タービンで達成できる最大に近く、なぜなら25フィートよりはるかに長いドラフトチューブは良い結果を与えないからです。
圧力タービンではガイドと車輪は効率的な運転のために完全に水で満たされなければならず、ドラフトチューブもそうです。ドラフトチューブが25フィートよりはるかに長い場合、各々にタービンから尾水まで固い水の柱を保つのは難しく、これがなされない場合水頭の一部が無効になります。圧力タービンが低水頭の電動発電所でほぼ独占的に使用されるため、水平車輪を直接接続した発電機が使用される場合洪水の時期の可能な尾水レベルの上そのような発電所を位置づけるのはしばしば不可能です。
[イラスト: FIG. 22.–メリマック川のガービンズフォールズの発電所。]
垂直軸のタービンが使用される場合、発電所はすべての電気設備が知られている最高の水位の上にあるように位置づけまたは建設できます。垂直軸で車輪と発電機を接続する場合、電動発電所の主床は電力が開発されるフォールズの頂上より上ではなくそのベースに近いかまたは近くに位置づけられます。
[イラスト: FIG. 23.–ナイアガラフォールズの発電所No.2。]
この計画でレイアウトされた電動発電所の最も重要な例はナイアガラフォールズのそれで、4つのそのような発電所があります。これらの発電所の2つ、合計容量105,000馬力はフォールズの上1マイルに立ち、ナイアガラ川からの短い運河を通じて水を供給されます。これらの2つの発電所のそれぞれの下に長い狭い車輪ピットが岩を通じて運河の水位の下172フィートの深さに掘削されています。両方の車輪ピットは長さ7,000フィートのトンネルで終わり、フォールズの下の川に開きます。
この車輪ピットでは尾水レベルは運河の水のそれの下161フィートで、発電所の床の下166フィートです。水は運河から車輪ピットを下って底近くの車輪に直径7フィートの鋼ペンストックを通じて通り、各車輪ケースから垂直軸が上発電所の発電機に延びます。
ナイアガラのような位置は高い水と流出に対する大きなセキュリティを与えますが、発電所建設の大きな初回コストのためめったに採用されません。水頭数百から2,000フィートの水頭で数フィートの水頭の損失は利用可能な電力をわずかに減らすだけで、インパルス車輪が通常使用されます。ドラフトチューブはそのような車輪で水頭を増加させるのに利用可能ではなく、車輪を離れた後の水の任意の落差は有用な仕事をしません。
[イラスト: FIG. 24.–コルゲート発電所。]
コルゲート、エレクトラ、カーン川、サンタアナ川、およびミルクリークのような大きな水頭の下でインパルス車輪で駆動される電動発電所は、その水路の床の上に洪水からの危険を避けるのに十分遠く位置づけられ、利用可能な電力の深刻な損失なしです。
第VIII章
電気水力発電所の設計。
[イラスト: FIG. 25.–ジョージア州コロンバス発電所の断面図。]
水車は水頭水と尾水の間の何らかの標高に位置づけなければならない。水平シャフトと直接接続されたホイールと発電機の場合、駅の主フロアはホイール中心のレベル以下に置かれる。これは最も一般的な構造タイプであり、ニューヨーク州マセナ、ミシガン州スーセントマリー、モンタナ州カニオンフェリー、カリフォルニア州コルゲート、カリフォルニア州エレクトラ、カリフォルニア州サンタアナ、および他の多くのよく知られた水力発電所で採用されている。ホイールと発電機に水平シャフトが使用され、それらの間にベルトまたはロープ接続がある場合、発電機室のフロアはホイールより数フィート高い位置に置かれる。この標高差は、同じ部屋の上部と下部、またはそれらの間にフロアを置いた別々の部屋によって通常提供される。この後者のような2階建て構造は、古い水力発電所で頻繁に採用され、バーモント州バーリントンの電気供給システムに関連するものと、マサチューセッツ州スプリングフィールドシステムのインディアンオーチャード駅で良い例が見られる。垂直ホイールシャフトは、駅のメインまたは発電機フロアの標高をホイールのものから独立させ、これにより洪水に対する最高度のセキュリティを与える。垂直ホイールシャフトが発電機室に到達した後、それは1つまたは複数のダイナモが直接マウントされた水平シャフトにギア接続されるか、またはベルトまたはロープを通じてダイナモを駆動する。この方法でのベルト駆動、垂直ホイールシャフトにベベルギアで接続された水平シャフトから、古いクラスの水力発電所で一般的ではない。垂直ホイールシャフトのギアで駆動される水平シャフトに単独またはペアでマウントされた発電機は、ケベック州ラシン急流とインディアナ州サウスベンドの発電所で採用されており、垂直ホイールが必要で発電機のコストを低い数字に抑えなければならない場合に望ましい接続方法を提供するようである。この駆動方法により、発電機は任意の経済的な速度で設計でき、ステップベアリングを避けられる。
[イラスト: FIG. 26.–バージニア州リッチモンドの蒸気と水力の複合発電所の断面図。]
[イラスト: FIG. 27.–ミシガン州ブキャナンのホイールハウスの断面図。]
費用が大きすぎない場合、垂直ホイールで発電機を駆動する最も望ましい方法は、各発電機をホイールシャフトの上端に直接マウントすることである（図参照）。この接続方法は、特殊なタイプの発電機を必要とするだけでなく、その速度に深刻な制限を課す可能性がある。一般的に、圧力タービンの周速度は、ホイールが動作する水頭に等しい水頭の下で噴出する水の理論速度の約75パーセントでなければならず、最良の効率を与える。任意の水頭の下で動作するタービンの回転速度は、したがってそれらの容量と直径が減少するにつれて増加すべきである。これらの原則のため、低水頭の下での水平ホイールでは、組み合わせた出力の単一ホイールで得られるよりも大きな回転速度を得るために、各シャフトに2つ以上のホイールをマウントするのが一般的である。したがって、ミシガン州スーセントマリーでは、各400キロワット発電機がマウントされた水平シャフトが、約20フィートの水頭の下で毎分180回転で4つのタービンによって駆動される。ニューヨーク州マセナでは、水頭が50フィートで、各5,000馬力発電機が水平シャフト上の6つのタービンによって毎分150回転で駆動される。垂直タービンは時にはそのシャフトに単独でマウントされ、オレゴン州オレゴンシティのウィラメット川の水力発電所でそうされたが、この慣行は水頭が異常に大きい場合を除いて、適度なコストの直接接続ダイナモに低すぎる速度を与える。オレゴンシティ発電所では、水頭がわずか40フィートで、単一の42インチタービンが各発電機を駆動する垂直シャフトにマウントされた。
[イラスト: FIG. 28.–ミシガン州ブキャナン発電所の縦断面図。]
垂直タービンと直接接続された発電機の最も注目すべき例は、ナイアガラの滝のものであり、4つの駅のうち2つで各5,000馬力の21台の発電機が多くの垂直ホイールシャフトの上部にマウントされている。ナイアガラ駅の各垂直シャフトは、1つがもう1つの上にある一対のタービンによって毎分250回転で駆動される。ナイアガラ運河の水と尾水路を形成するトンネルの水の間の最大水頭は161フィートである。10本のシャフトでは、ホイールケースの中心が運河の水位以下136フィートにあり、ドラフトチューブは使用されない。
[イラスト: FIG. 29.–ナイアガラの滝の発電所No. 2の断面図。]
ナイアガラ発電所の2番目の11対のホイールは、その中心線が運河レベル以下128.25フィートにあり、各一対のホイールのためのドラフトチューブが尾水レベル以下の点まで延びる。同じ垂直シャフトに単一の一対以上のタービンを使用することは完全に実用的であり、スイスのジュラ川のハグネック駅で示されており、水頭が約21フィートで、各垂直シャフトに4つのタービンがマウントされている。これらの各シャフト上の4つのホイールの組み合わせ容量は1,500馬力で、その速度は毎分100回転である。各シャフトの上部には、外部回転磁石フレームを持つ8,000ボルト発電機がマウントされている。各垂直シャフトに4つのホイールを使用することは大きな困難を呈さないし、将来より頻繁に採用されるべきである。
[イラスト: FIG. 30.–ミシガン州ブキャナン発電所の内部。]
水平直接接続タービンホイールと発電機の場合、ほぼ一貫した慣行は、駅の一端から他端まで発電機を単一の列に配置することであり、これによりタービンが平行な列になる。この計画では、各接続された発電機とそのタービングループのシャフトが駅の長い側に直角に設定され、水がホイールに流れる方向とほぼ平行になる。典型的な直接接続ユニットを持つ水力発電所は、したがってペンストックを通じて一側から水が入り、他側から尾水路を通じて出るかなり長く狭い建物である。このような駅は通常、尾水が通る川に平行な長い側の一つを持ち、この川と運河またはパイプラインの間に設定される。ニューヨーク州マセナでは、電気駅は電力運河の端とグラス川の間のダムの位置を占め、幅約150フィート、長さ550フィートである。この駅に入る運河水は、約50フィートの水頭の下でホイールを通って川に通る。似た構造がミシガン州スーセントマリーで採用され、発電所が運河の端をセントメリーズ川から分離する。この駅は幅100フィート、長さ1,368フィートで、80セットの水平ホイールを含み、各セットが独自の発電機に接続され、これらのホイールを通じて運河水が約20フィートの水頭の下で通る。モンタナ州カニオンフェリー駅では、10台の発電機が並び、内部225 x 50フィートで、各発電機が30フィートの水頭の下で一対の水平ホイールによって駆動される。この駅は短い運河とミズーリ川の間に設定され、ダムの近くの一端にある。水頭が50未満から数百または1,000フィートを超えるものに移行すると、駅建物の一般タイプはほぼ同じだが、直接接続ホイールと発電機の配置に重要な変化がある。これらの高い水頭では、水がノズルからジェット形式で供給されるインパルスタイプのホイールが使用される。これらのジェットは、圧力タービンへの水のようにシャフトに平行な線で流れる代わりに、シャフトに直角な平面でホイールに通る。インパルスホイールのシャフトとその直接接続発電機は、したがって駅の短い側ではなく長い側に平行に配置される。この計画は、中程度の水頭の下での直接接続タービンの場合のように、一端の長い側から水が入り、他端から出る長い狭い駅になる。直接接続インパルスホイールを持つ駅は、与えられた数と容量のユニットに対して圧力タービンを持つ駅よりもさらに長い。カリフォルニア州ノースユバ川のコルゲート発電所には、7台の発電機があり、それぞれがインパルスホイールに直接接続され、シャフトがすべて駅の長い側に平行である。この駅は長さ275フィート、幅40フィートで、一側から直径30インチの5本の鉄パイプで入る水が、約700フィートの水頭の下で他側から川に排出される。
[イラスト: FIG. 31.–ワシントン州シアトル市のシーダーレイク近郊の発電所の平面図。]
[イラスト: FIG. 32.–ニューヨーク州スピアフォールズ発電所の基礎。]
[イラスト: FIG. 33.–メイン州グレートフォールズ発電所の平面図。]
カリフォルニア州モケラムネ川のエレクトラ駅では、5対のインパルスホイールが5台の発電機に直接接続され、各ユニットのシャフトが建物の壁に対して斜めで、水が1,450フィートの水頭の下でホイールに届くパイプがある。この発電所のジェネレータールームの平面は40 x 208フィートである。エネルギーがカリフォルニア州ロサンゼルスに83マイル伝送されるカリフォルニア州サンタアナ川の発電所は、内部長さ127フィート、幅36フィートで、4つの生成ユニットが並び、それぞれが直接接続ダイナモとインパルスホイールで構成され、シャフトが駅の長い側に平行である。この駅のホイールを駆動するジェットは、2,210フィート長のペンストックでの摩擦損失を引いた728フィートの水頭の下で届けられる。
[イラスト: FIG. 34.–チコピー川のレッドブリッジ発電所。]
最初のナイアガラ発電所の両方が、ピットの駅のはるか下の垂直ホイールを持ち、長く狭く、発電機が単一の列にある。後者のこれらの2つの駅は、外側約72 x 496フィートの地面面積を持ち、11台の発電機がすべて並んでいる。これらの例から、水平または垂直ホイールのどちらかで、圧力またはインパルスタイプのどちらかで設計された電気水力発電所の主流タイプが、発電機とホイールの単一の列に十分な幅で、必要な数のユニットを収容するのに十分な長さを持つことがわかる。
この一般計画から離れるいくつかの現代駅が見つかる。例えば、メイン州ポートランドの電気供給が引き出されるメイン州プレサンプスコット川のグレートフォールズのもの。この駅はダムのフォアベイ端の約40フィート前に設定され、2つのペンストックが後壁に入り、他の2つが残りの反対側の2つそれぞれを通って入る。4台の発電機のうち、その直接接続ホイールとともに、2つが平行シャフトで配置され、他の2つが線上にあるシャフトを持ち、前者の2つの線に直角である。これらの生成セットを含む駅は、55 x 67.5フィートのフロア面積を持つ。
[イラスト: FIG. 35.–チコピー川のレッドブリッジ駅の平面図と立面図。]
水力で駆動される現代の電気駅は、通常1階建てで、クレーンと屋根トラスを除いてフロアから屋根までクリアである。この構造は、ナイアガラ、ニューヨーク州スピアフォールズ、モンタナ州カニオンフェリー、カリフォルニア州コルゲート、カリフォルニア州エレクトラ、カリフォルニア州サンタアナ川、および他の多くの著名な発電所で見られる。この1階建て構造にもかかわらず、電気駅は発電機の配置と除去でクレーンを操作するためのヘッドルームの必要性から公正な標高に達する。ニューハンプシャー州メリマック川のガービンズフォールズでは、電気駅は各650キロワットの発電機を含み、フロアから屋根トラスの下弦までの距離は27フィートである。マサチューセッツ州チコピー川のレッドブリッジ駅では、各1,000キロワット容量の発電機があり、フロアと屋根ビームの下側間の距離は30.66フィートである。最後に言及された川のバーチェムベンド駅では、フロアと屋根トラス間の距離は26.25フィートだが、各発電機はわずか400キロワットで定格される。モンタナ州カニオンフェリー発電所では、各750キロワットの発電機があり、フロアから屋根トラスまでの距離は28フィートである。カリフォルニア州サンタアナ川の発電所では、750キロワット発電機がインパルスホイールに接続され、毎分300回転で動作し、相対的に小さな直径を持ち、シャフト中心がフロアの上約2フィートにマウントされるようにフロア上のピットにマウントされる。これらの手段により、フロアから屋根トラスまでの距離は18.25フィートに減少した。これらのフロアと屋根サポート間の標高のすべての例は、直接接続発電機と水平ホイールを持つ駅のものである。新しいナイアガラ駅では、各3,750キロワットの発電機がフロアから上昇する垂直ホイールシャフトにマウントされ、フロアと屋根トラス間の距離は39.5フィートである。
水力で駆動される電気駅は現在、石、レンガ、タイル、コンクリート、セメント、鉄、鋼などの燃えない材料でほぼ完全に構築されている。セメントモルタルで敷かれた石積みまたはコンクリート積みは、尾水に接触する基礎のすべての部分で非常に一般的に使用される。サブファンデーションには岩盤が非常に望ましいが、これに到達できない場合、杭が密に打ち込まれ、その上部が石基礎のための数フィートのセメントコンクリートで覆われる。石が豊富またはレンガが得にくい場合、水力発電所の全壁がコンクリートモルタルで石で完全に敷かれることが頻繁にある。レンガが容易に得られる場合、石よりも一般的に使用される。コンクリートをモノリシックな塊に形成するのは、南カリフォルニアの水力発電所の基礎、壁、フロアのための好ましい構造タイプである。セメントとコンクリートは全国の駅フロアで多く使用され、これらのフロアは尾水がホイールを離れた後駅の下を流れる場合に石積みアーチで支持される。駅の屋根は通常鋼トラスまたはIビームで支持され、スレートと鉄が好ましい屋根材料である。鉄屋根プレートの場合、寒い天候で屋根の下側に水が凝縮するのを防ぐために、木材、アスベスト、または他の熱の不良導体の内部ライニングが多く使用される。水力発電所の壁は、通常、それらにかかるすべての荷重を鋼柱の助けなしに支持するのに十分な厚さの石積みが与えられる。クレーンが駅全体に延びない場合、各クレーンの一端が駅壁の一つで支持され、他端がフロアから上昇する鉄または鋼柱の列で支持される場合がある。発電機室のフロアレベルが高水位標以下の場合、この標以上への防水性を確実にするために壁に特別な注意を払うべきである。旅行クレーンとそれがホイールと発電機の設置で運ぶ荷重が駅壁の重量の大部分を形成するため、これらの壁はクレーンのレベルで厚さを半分に減らすことが多く、これによりクレーンの端が置かれるベンチを形成する。
[イラスト: FIG. 36.–ケベック州シャンブレー発電所の鋼ペンストック。]
ニューハンプシャー州メリマック川のガービンズフォールズ駅は、尾水が通る石積みアーチに置かれ、レンガ壁はフロアの上8フィートまで防水されている。フロアの上20フィートで、2つの長い側の24インチレンガ壁が8インチの厚さに減少し、これによりクレーンが走行する各16インチ幅のベンチを形成する。マサチューセッツ州チコピー川のレッドブリッジ駅の24インチレンガ壁は、フロアの上21フィートで12インチに厚さが減少し、これによりクレーンの端のための12インチ幅のベンチを形成する。
カリフォルニア州サンタアナ駅の1つのコンクリート壁は、フロアの上13.5フィートまで2.5フィートの厚さで、次に反対側の壁の1.5フィートの厚さに対応して縮小し、これによりクレーンの一端のための12インチ幅のベンチを形成する。この場合のクレーンの他端は、鉄柱の列のIビームで支持される。
水平タービンを、ペンストックまたはホイールケースの破損の場合に後者を水から保護するために、それらが直接接続された発電機が占める部屋とは別の部屋に配置するのは一般的ではない。このような場合、ホイールと発電機を接続するシャフトはそれらの間の壁を通る。水平タービンは、ホイールシャフトが通る壁に水が押す運河の底に位置づけられるか、またはペンストックの端の鉄ケースに含まれる。この後者の場合、駅の拡張がこれらのケースを含むホイールルームのためにしばしば提供される。このようなホイールルームは長く狭く低屋根で、駅の発電機ルームに平行である。これらのホイールルームのフロアは発電機ルームのフロアとほぼ同じレベルだが、それらの屋根のフロアからの標高は駅の主要部分の同様の標高よりもはるかに小さい。ガービンズフォールズ、レッドブリッジ、およびアップル川の駅は、ちょうど記述されたタイプのホイールルームを持つ。水がそのシャフトに直角な平面で通るインパルスホイールの場合、水パイプの方向変化を避けるために、直接接続ホイールと発電機が同じ部屋を占めるのが望ましく、これはカリフォルニア州コルゲート、カリフォルニア州エレクトラ、カリフォルニア州サンタアナ、カリフォルニア州ミルクリーク、およびそのような機器を使用する他の多くの発電所での配置である。ホイールルームの面積は、低圧の下でのタービンを使用する駅で、ホイールが駅の一側を擁壁とする運河の底に置かれることにより、しばしば減少できる。この計画は、14フィートの水頭のバーチェムベンド発電所と、水頭が約20フィートのミシガン州スーセントマリー駅で採用された。発電機に直接接続された垂直ホイールは、駅のメインルームの真下でなければならず、駅が構築された運河、駅の下部を形成するホイールルーム、またはナイアガラの滝発電所のようにペンストックを通じて供給されるホイールピットにある。
非常に高い電圧を発生する昇圧変圧器は発電機ルームの安全要素ではなく、より良い慣行は、それらを別々の建物に置かない場合、別々のアパートメントに置くことである。ナイアガラの滝発電所では、22,000ボルトで三相電流を届ける変圧器が発電所から運河を横切った建物に位置づけられる。モンタナ州カニオンフェリーでは、50,000ボルト三相で動作する変圧器が発電所の鋼と鉄の追加部分に位置づけられる。最終的に60,000ボルトで動作する予定のカリフォルニア州エレクトラ駅の変圧器は、主建物の拡張に位置づけられ、壁で発電機ルームから分離される。カリフォルニア州サンタアナ発電所では、33,000ボルト変圧器が発電機ルームの一角にグループ化されるが、パーティションがそれらのスペースを部屋の残りから分離しない。カリフォルニア州コルゲート発電所では、40,000ボルトで動作する変圧器が、発電機の列からわずか数フィート離れた駅の長い側の一つに沿って配置される。ミネソタ州アップル川発電所のメインルームの一端は、25,000ボルト変圧器に専ら捧げられ、それらと最も近い発電機の間に約27フィートの距離がある。これらの大きな電圧での変圧器の最高度の安全は、フロア、壁、屋根が完全に不燃材料で作られた別々の部屋に位置づけられることを要求するようである。
[イラスト: FIG. 37.–ハドソン川のスピアフォールズのタービンホイールの1つ。]
中程度の水頭の下で水平タービンホイールに供給される水は、通常一側からペンストックで駅に入り、他側から尾水路で出るが、これはすべての場合に真実ではない。バーチェムベンド発電所では、ホイールが位置づけられる運河が駅と川の間にあるため、水は駅に入ったりその下を通ったりせず、連続した基礎を持つ。再びミネソタ州アップル川発電所では、直径12フィートの単一供給パイプが駅の大きな長さに平行にあり、それと川の間にある。短いペンストックがこの供給パイプから発電所のホイールセクションに通り、水はホイールを通った後、12フィートパイプを支持する石積み桟橋の間で川に流出する。この駅の発電機セクションはしたがってその下に水が流れない。水頭が低い場合と大きな水頭の下での駅の基礎についての尾水の条件の間で興味深い区別が注目できる。前者の場合、水の体積は相対的に大きく、駅の基礎は通常水没し、尾水路のためのスペースを作るために面積が大きく減少する。したがって、49フィートの水頭があるレッドブリッジ駅の基礎は、そのフッティングのほぼすべてが水の下にあり、これらの基礎の上部の総長さ145フィートのうち、下の6つの尾水路が92フィートを切り取る。これらの尾水路はホイールと発電機ルームの両方の下に延びる。
電力がパイプノズルから大きな水頭の下で届けられる水から得られる場合、駅はそれらが排出する小川の水位よりはるか上にあり、駅の下の尾水のための通路は基礎を通る小さなトンネルに縮小する。これらのトンネルの7つがカリフォルニア州サンタアナ川駅で合計幅25フィート未満で、長さ127フィート、水頭が728フィートである。カリフォルニア州コルゲート発電所では、水頭が700フィートで、水は軽負荷の時に駅の下の通路から流出する代わりに、駅が立つノースユバ川の岸を横切ってパイプノズルから射出される。
[イラスト: FIG. 38.–ラドロー製造会社の発電所。]
水力を使用する電気駅のメイン発電機容量のキロワットあたりのフロア面積と蒸気電力を使用するものの比較では、変圧器のためのスペースの問題は完全に省略できる。なぜなら、このスペースの程度はホイールのタイプや位置、水と蒸気の原動力としての違いとは独立だからである。水車とその接続された発電機が別々の部屋を占める場合、低圧の下でのタービンでしばしばそうであるように、ホイールルームは発電機ルームよりも少し短く、一般的に狭い。したがって、レッドブリッジ駅では発電機ルームが141フィート長でホイールルームが約127フィート、 formerは33.33フィートで latterは24フィート幅である。再びアップル川フォールズでは発電機ルームが140 x 30フィートでホイールルームが106 x 22フィート、この場合の発電機ルームは変圧器も含む。これにより、ホイールが運河に位置づけられる場合、駅の総フロア面積をかなり減少でき、20から40パーセントの範囲が容易である。ホイールと発電機ルームの組み合わせのフロア面積の平方フィートあたりのキロワット容量は、生成ユニットの個別容量とともに増加する傾向がある。垂直シャフトの発電機は、水平シャフトの発電機と同じくらいの容量単位あたりのフロアスペースを必要とするようである。レッドブリッジ駅では総容量が6つの水平ユニットで4,800キロワットで、発電機ルームだけの面積がこの容量のキロワットあたり0.96平方フィートである。ナイアガラの滝の垂直ユニットの2番目の駅は、11台の発電機で41,250キロワットの容量を持ち、そのフロア面積はキロワットあたり0.86平方フィートである。大きな直径の狭いインパルスホイールは、輪と発電機を含む部屋がその10,000キロワット容量の単位あたりわずか0.83平方フィートの面積を持つカリフォルニア州エレクトラ駅のように、フロアスペースの節約に傾向がある。カリフォルニア州コルゲート発電所では、発電機の総定格が11,250キロワットで、ホイールと発電機の下のフロア面積はほぼ正確にキロワットあたり1平方フィートである。カリフォルニア州サンタアナ駅は総容量3,000キロワットで、容量の単位あたり1.52平方フィートのフロア面積を持つ。この最後の数字は、レッドブリッジの4,800キロワット駅の発電機定格のキロワットあたり1.72平方フィートと、バーチェムベンドの800キロワット発電所の容量の単位あたり1.75平方フィートと比較できる。
[イラスト: FIG. 39.–アイダホ州ペイエット川の発電所。]
直接接続ホイールと発電機を持つすべてのタイプの水力発電所は、直接接続水平ユニットを持つ蒸気発電所よりも単位容量あたりのフロア面積がはるかに小さい。したがって、ニューハンプシャー州ポーツマスの現代蒸気駆動駅は、エンジンとボイラールームの平面面積16,871平方フィートを持ち、その総容量は4つの直接接続ユニットで4,400キロワットなので、面積は発電機のキロワット定格あたり3.82平方フィートになる。この面積の約46パーセントがボイラールームにある。
電気駅での直接接続水平水車と発電機のためのフロア寸法。
+—————–+———-+————+———–+———+
| | | | 発電機の | 総容量 |
| 駅 |フィート長| フィート幅 | 数 |キロワット|
+—————–+———-+————+———–+———+
|[A]ナイアガラ、No. 2| 496 | 72 | 11 | 41,250 |
|スーセントマリー | 1,368 | 100 | 80 | 32,000 |
|コルゲート | 275 | 40 | 7 | 11,250 |
|エレクトラ | 208 | 40 | 5 | 10,000 |
|カニオンフェリー | 225 | 50 | 10 | 7,500 |
|レッドブリッジ | 141 | 57 | 6 | 4,800 |
|アップル川 | { 140 | 30 } | 4 | 3,000 |
| | { 106 | 22 } | | |
|サンタアナ川 | 127 | 36 | 4 | 3,000 |
|グレートフォールズ| 67.5 | 55 | 4 | 2,000 |
|ガービンズフォールズ| { 62 | 30 } | 2 | 1,300 |
| | { 50 | 23 } | | |
|バーチェムベンド | 56.6 | 26.7 | 2 | 800 |
|ポーツマス |{ 14.4 | 119.66 }| | |
| (蒸気駆動) |{内部だがマイナス360}| 5 | 4,400 |
| |{ 平方フィート }| | |
+—————–+———-+————+———–+———+
[A] 垂直ホイールシャフト。
これらの寸法の一部は駅の内部に、一部は外部に適用される。一部の小さな突起は含まれていない。
第IX章
電気伝送のための交流発電機。
電気伝送システムの発電所にあるダイナモは、一台が故障した場合でも他のものが最大負荷を担えるほど多数であるべきである。発電機が2台しか設置されていない場合、各々が全出力供給できるほど大きくするのが望ましく、したがってダイナモ容量は駅の最大需要を100パーセント上回ることになる。このような大きなダイナモ容量の超過を避けるため、2台以上の発電機を設置するのが一般的である。
他の考慮事項も、伝送システムの発電所におけるダイナモの数を増やす傾向がある。例えば、一つの伝送線が照明専用、もう一つが固定モーター、もう一つが電気鉄道サービス専用である場合、各線が独立したダイナモによって供給されるのが望ましく、鉄道やモーター負荷の変動が照明システムに影響を与えないようにする。
メイン州ポートランドの電灯と電力を供給する伝送システムの発電所では、独立したユニットの考えが実行されており、4台の500キロワットダイナモがあり、それぞれがダムから別々のペンストックを通じて水を供給される一対のホイールによって駆動される。これらのダイナモのそれぞれが4つの独立した伝送回路の一つを動作させる。複数の水力発電所が単一の変電所に供給する場合、各発電所が容量をかなりの数のダイナモに分ける必要がない場合がある。なぜなら、一つの駅を修理のために完全に停止し、その間負荷を他の駅が担うことができるからである。この点の良い例はニューハンプシャー州マンチェスターで見られ、単一の変電所が4つの水力発電所から伝送されたエネルギーを受け取る。これらの発電所の一つでは、1,200キロワットの全容量が単一の発電機にある。
上記のダイナモの数に関する考慮事項は、蒸気駆動と水駆動の両方の駅に等しく適用されるが、他の要因が水頭が比較的小さい水力発電所でダイナモの数を増やす傾向がある。この傾向は、圧力タービン水車の高効率を確保するため、周速度をこれらのホイールが動作する水頭の下で開口部から水が噴出する速度の約25パーセント低くする必要があるためである。この水の速度、したがって圧力タービンホイールの周速度は、水頭の平方根とともに変化する。
[イラスト: FIG. 40.–スーセントマリー発電所のジェネレーター。]
タービンの周速度が動作する水頭によって決定されるため、タービンの直径は容量とともに増加しなければならないので、任意の水頭の下での圧力タービンの回転速度は出力が増加するにつれて減少する。この理由で、タービンへの直接接続で非常に低い回転速度を避けるため、水力発電所でそうでなければ必要とされるよりも多くのダイナモを使用するのがしばしば望ましい。この慣行の注目すべき例は、ミシガン州スーセントマリーのミシガン・レイク・スペリオール・パワー・カンパニーの大規模水力発電所にあり、32,000キロワットの生成容量が各400キロワットの80台のダイナモに分けられている。この発電所の圧力タービンで利用可能な水頭は約16フィートで、その速度は毎分180回転である。この低頭の下でこの適度な速度を得るために、各140馬力のタービンのみを選択する必要があった。これらのタービンの4つが各シャフトに取り付けられ、400キロワットのダイナモを直接接続で駆動するので、合計320のホイールがある。総出力を得るために少ない数のホイールが使用されていたら、それらの速度と直接接続されたダイナモの速度は毎分180回転未満になっていたはずである。ダイナモのコストが非常に低い速度で増加するため、与えられた総容量に対して低い速度の少ない数のダイナモよりも高い速度の多い数のダイナモを設置する方がしばしば安価である。
非常に低い速度を避けるためにそうでなければ必要とされるよりも多くのユニットを使用することは、モンタナ州カニオンフェリーのミズーリ・リバー・パワー・カンパニーの7,500キロワット発電所によってさらに示されている。この容量は、各750キロワットで定格され、約32フィートの水頭の下で毎分157回転で動作する一対の圧力タービンホイールに直接接続された10台の発電機で構成されている。
比較的高い水頭の下では、圧力タービンは非常に大きなサイズを除いて、ダイナモへの直接接続に十分な速度で動作する。
[イラスト: FIG. 41.–ナイアガラの滝の発電所No. 2の内部。]
例えば、ナイアガラの滝発電所では、水頭が136フィートで、各一対のタービンが3,750キロワットの直接接続ダイナモを毎分250回転で駆動する。出力が大きく、各発電機の容量が構造的な理由で望ましいよりも大きくなるほどサービスにセキュリティと信頼性を与えるために必要な発電機の数が多すぎる稀なケースでは、各発電機のサイズを減らすために単に数を増やさなければならない。このような状況はナイアガラの滝に存在し、最初の駅には各3,750キロワットの10台のダイナモがあり、2番目の駅には同容量の11台のユニットがある。
伝送システムの大部分では、発電機は蒸気エンジンまたは水車に直接接続されており、その回転速度は主にこれらの原動機の要件によって決定される。蒸気エンジンはダイナモへの直接接続の望ましい速度を考慮して設計できるが、水車はこの点で柔軟性が低い。各タイプのホイールの周速度は、主に動作する可能性のある水頭によって決定され、この速度からの変動は効率の深刻な損失を意味する。
[イラスト: FIG. 42.–ナイアガラの滝のカナダ発電所の10,000 H. P. 12,000 Voltジェネレーター。]
100フィートをはるかに超える水頭の下では、圧力タービンはすべての非常に大きなサイズを除いてかなり高い速度で動作する。水車を低い速度でベルトで高い速度のダイナモに接続するのがはるかに一般的であるが、いくつかの事例では、ワシントン州スポケーンの照明発電所のように、高い速度のホイールが低い速度のダイナモにベルト接続される。かなり高い水頭の下で適度なダイナモ速度を得るもう一つの計画は、大型タービンまたは一対のタービンのシャフトの各端にダイナモをマウントすることである。この計画は、ケベック州シャウィニガンの滝のロイヤル・アルミニウム・カンパニーの発電所で採用されており、2対の水平タービンホイールがあり、各対が125フィートの水頭の下で3,200馬力を発生し、そのシャフトの各端に直接結合されたダイナモを駆動する。垂直ホイールが使用される場合、垂直シャフトに直接マウントするための特殊なダイナモを設計するよりも、ベベルギアで水平シャフトの標準タイプのダイナモを駆動する方が望ましい場合がある。この後者の計画は、ナイアガラの滝の2つの発電所での非常に大規模な作業で正当化され、21台の3,750キロワットダイナモが各々タービンの垂直シャフトに直接接続されている。このタイプの接続は頻繁に採用されるものではないが、もう一つの地点–オレゴン州ポートランド–では、各ダイナモがその垂直タービンホイールのシャフトに直接マウントされている。
水車が数百フィートの水頭の下で動作しなければならない場合、通常、圧力タービンを放棄し、インパルスホイールのタイプの一つを採用する必要がある。このクラスのホイールでは、最高効率の周速度は任意の水頭の下での水の噴出速度の半分のみである。これにより、インパルスホイールは同直径の圧力タービンの約3分の2の周速度、したがって毎分の回転数が約3分の2になる。しかし、水をインパルスホイールの円周上の1つまたは複数の点に適用できるため、このようなホイールは与えられた水頭の下で等しい出力に対して圧力タービンよりもはるかに大きな直径を持つことができる。
[イラスト: FIG. 43.–ハドソン川のメカニクスビル発電所のジェネレーター。]
[イラスト: FIG. 44.–ケベック州シャンブレーの発電所のジェネレーター。]
水頭に対する低い周速度と出力に対する大きな直径のこれらの特性は、大きな水頭を使用しなければならない場合にインパルスホイールをダイナモへの直接接続に適したものにし、それらは一般的にそのような場合に使用される。これは特に、水力が大きな体積よりも大きな水頭に依存する太平洋岸で真実である。カリフォルニア州コルゲートのベイ・カウンティーズ・パワー・カンパニーの発電所では、ダイナモは700フィートの水頭の下で動作するインパルスホイールに直接接続されている。この発電所の3台の2,250キロワットダイナモのそれぞれが毎分285回転で動作するホイールシャフトにマウントされており、4台の1,125キロワットダイナモのそれぞれがインパルスホイールによって毎分400回転で直接駆動される。カリフォルニア州エレクトラのスタンダード・エレクトリック・カンパニーの発電所では、インパルスホイールが1,450フィートの水頭の下で毎分240回転で動作する。これらのホイールの5対のそれぞれが2,000キロワットのジェネレーターを直接接続で駆動する。これらのホイールの水頭が1,450フィートであるため、その噴出速度は約毎秒300フィート、または毎分18,000フィートである。各ホイールは直径11フィートなので、毎分240回転の速度は周辺を毎分9,000フィート未満、つまり水の噴出速度の約半分にする。これらの2つの大規模発電所は、大きな水頭の下でのインパルスホイールが直接接続されたダイナモに適した速度を与えられる方法の優れた例である。
[イラスト: FIG. 51_a_. ブリティッシュ・コロンビア州バンクーバー近郊のバーラード入り江発電所の水車とジェネレーターの平面図と立面図。]
電気伝送システムの発電所で使用される交流発電機の3つのタイプは、回転電機子、回転磁石、インダクターである。
回転電機子は比較的少ない伝送システムのダイナモで使用され、最近のものではほとんど使用されない。伝送作業のための主流の交流発電機のタイプは、内部回転磁石と外部固定電機子を持つものである。このタイプは、モンタナ州カニオンフェリーの大規模水力発電所、ミシガン州スーセントマリー、およびナイアガラの滝の後期発電機すべてで採用されている。ナイアガラの滝の初期の16台の垂直発電機では、回転磁石が固定電機子の外部にあるが、この構造は高い初期コストと内部電機子のアクセスしにくさの欠点があり、他の場所で採用される可能性は低い。
[イラスト: FIG. 46.–ブリティッシュ・コロンビア州バンクーバー近郊のバーラード入り江発電所の水車とジェネレーターの立面図。]
インダクター交流発電機は、電機子と磁石コイルの両方が固定されており、適切な鉄構造のみが回転するものであり、比較的少ない数の伝送システムで使用されるが、この数はいくつかの最大発電所を含む。カリフォルニア州コルゲート発電所の7台の交流発電機は合計11,250キロワットの容量で、同州のエレクトラ発電所の5台の交流発電機は10,000キロワットの容量で、すべてインダクタータイプである。一般的に構築されるように、インダクター交流発電機の磁石巻線は1つまたは2つの非常に大きなコイルのみで構成され、いくつかの場合直径10フィートにもなる。これらの大きな磁石コイルの修理は、事故の場合、間隔回転磁石で使用される小さなコイルの修理よりも深刻な問題を呈するようである。満足のいく動作特性に関しては、インダクター交流発電機と回転磁石を持つものは同等であるが、構造的な理由でインダクター交流発電機は過去よりも将来に少なく構築されるだろう。
ほぼすべての長距離伝送は現在、二相または三相電流で行われている。最も注目すべき二相設置はナイアガラの滝のものであり、元の10台の発電機と2つの大規模発電所で後で追加された11台のダイナモがすべて二相タイプである。モンタナ州カニオンフェリーでは、最初の4台の750キロワット発電機が二相であったが、後で設置された同容量の6台の機械は三相である。大きな容量の最新発電所や非常に長い伝送を含むものでは、三相機械が一般的に採用されている。これはカリフォルニア州のコルゲートとエレクトラ発電所、およびミシガン州スーセントマリーのものに真実である。
[イラスト: FIG. 47.–メリマック川のガービンズフォールズ発電所の内部。]
[イラスト: FIG. 48.–プレサンプスコット川のグレートフォールズ駅の500キロワットジェネレーター。]
周波数に関しては、既存の慣行はカリフォルニア州メアリーズビルのラインでの毎秒133サイクルから、ワシントン＆ボルチモア電気鉄道の伝送でのわずか15サイクルまで広がっている。
より一般的な慣行は25から60サイクルの間である。ナイアガラの滝は25サイクルのための最初の大きな発電所を見たが、その周波数の他のものは現在、一般配布のための電灯と電力の供給に従事している。電気鉄道ラインへの伝送では、25サイクルの周波数が広く使用されており、その著名な例はニューハンプシャー・トラクション、バークシャー、およびオールバニー＆ハドソンシステムで見られる。
[イラスト: FIG. 49.–ジョージア州コロンバスの水力発電所。]
25サイクルのシステムの強みは、合理的な数の極、電機子スロット、および整流子バーを持つロータリーコンバーターを通じて連続電流の供給に適していることである。
[イラスト: FIG. 50.–モントリオールのシャウィニガン変電所でモーターに接続された1065キロワット、2300ボルトジェネレーター。]
一方、変圧器のコストは毎秒25サイクルの電流でより高い周波数よりも大きく、この電流は白熱照明に耐えられるだけで、発生する光の変動特性のためアークランプには全く適さない。毎秒15サイクルでは、電流はフリッカーを避けるための非常に太いフィラメントを持つランプなどの特殊な装置によってのみ、白熱照明に満足のいく結果で使用できる。非常に低い変動はインダクタンスと共振の望ましくない効果を低減するが、これらの効果は他の方法で大幅に避けられる。
伝送システムの主な目的が電力供給である場合、照明施設にいくらかの不利があっても、システムの周期数をかなり小さく採用する明確な傾向がある。これは、ミネソタ州セントアンソニーの滝からの35サイクルでの伝送、コロラド州カニオンシティからクリップルクリークへの30サイクル、ミシガン州スーセントマリーの32,000キロワット発電所の30サイクル、およびナイアガラの滝の2つの78,750キロワット発電所の25サイクルによって示されている。
伝送システムの主な目的が一般配布のための電灯と電力の供給である場合、60周期毎秒が多くの場合標準として採用される。この周期数は小さいものと比較してロータリーコンバーターのコストを増加させる傾向があるが、変圧器のコストを減少させ、白熱およびアーク照明の両方に適している。
[イラスト: FIG. 51.–シャウィニガン伝送線のモントリオール変電所のモータージェネレーターの効率曲線。]
60サイクルを超える周波数で最近設置された伝送システムはほとんどなく、より高い数字で動作した古い発電所はほとんどの場合改装されている。
過去10年間で交流発電機の電圧は大幅に増加したが、長距離伝送ラインでの高圧の需要に追いついていない。10年前、最初の長距離伝送が運用開始されたとき、交流発電機の2,000ボルトは高いと考えられていた。この電圧は3〜4マイルより長い導体の経済性に低すぎるため、重要な初期伝送はすべて発電所での昇圧変圧器の助けで実施された。当時の慣行は、そしてかなりの程度今も、交流発電機を経済的な構造に適した電圧の伝送のために設計し、次に必要なライン電圧を得るために必要な任意の比率の昇圧変圧器を与えることである。
伝送システムの交流発電機。
+———————-+———————————————-+
| |発電所での数。 |
| | |各キロワット。 |
| | | |交流発電機電圧。 |
| | | | |相。 |
| | | | | |サイクル。 |
| | | | | | |R. P. M. |
| | | | | | | |磁石のタイプ。 |接続|
|システムの場所。 | | | | | | | |方法|
+———————-+–+—–+——+-+—-+—–+———+——-+
|ナイアガラの滝[A] |16|3,750| 2,300|2|25 |250 |外部 |直接 |
| | | | | | | |回転 | |
|ナイアガラの滝[A] | 5|3,750| 2,300|2|25 |250 |内部 | „ |
|コルゲートからオークランド| 3|2,250| 2,400|3|60 |285 |インダク | „ |
| | | | | | | |ター | |
|コルゲートからオークランド| 4|1,125| 2,400|3|60 |400 | „ | „ |
|エレクトラからサンフランシスコ| 5|2,000| ….|3|60 |240 | „ | „ |
|ポーツマスからペルハム| 1|2,000|13,200|3|25 | 83.3|内部 | „ |
|ポーツマスからペルハム| 2|1,000|13,200|3|25 | 94 | „ | „ |
|バージニアシティ | 2| 750| 500|3|60 |400 |外部 | „ |
|オグデン＆ソルトレイク| 5| 750| 2,300|3|60 |300 |内部 | „ |
|ショーディエールの滝 | 2| 750|10,500|3|66.6|400 | „ | „ |
|ヤドキン川の滝 | 2| 750|12,000|3|66 |166 | „ | „ |
|メイン州ルイストン | 3| 750|10,000|3|60 |180 | „ | „ |
|ファーミントン川 }| | | | | | | | |
| から }| 2| 750| 500|3|60 |… | „ | „ |
|コネチカット州ハートフォード}| 2| 600| 500|2|60 |… | „ | „ |
|カニオンフェリーからビュート|10| 750| 500|3|60 |157 | „ | „ |
|アップル川からセントポール| 4| 750| 800|3|60 |300 | „ | „ |
|ロサンゼルスのエジソン社| 4| 700| 750|3|50 |… | „ | „ |
|マドリードからブランド| 2| 600| 605|3|60 | 90 | „ | „ |
|カニオンシティからクリップル| | | | | | | | |
|クリーク | 3| 450| 500|3|30 |… | ….. | „ |
|スーセントマリー |80| 400| 2,400|3|30 |180 | „ | „ |
|ケベック州セントイアサント| 3| 180| 2,500|3|60 |600 | „ | „ |
|グレートフォールズから| | | | | | | | |
|メイン州ポートランド | 4| 500|10,000|3|60 |225 | „ | „ |
+———————-+–+—–+——+-+—-+—–+———+——-+
[A] ナイアガラの滝電力会社。
したがって、コネチカット州ハートフォードの電気供給システムに関連する2つの水力発電所では、交流発電機は500ボルトで動作し、変圧器がライン電圧を10,000に上げる。ミネソタ州セントポールの照明システムを供給するアップル川駅では、交流発電機は800ボルトで動作し、これをラインのために25,000ボルトに上げる。カニオンフェリーでは、交流発電機の500ボルトが変圧器で100倍され、ラインに50,000を与える。
[イラスト: FIG. 52.–ニューハンプシャー・トラクション社の伝送ライン。]
伝送システムの発電所が負荷の一部に近い場合、交流発電機は配布に適した電圧、例えば約2,400を与えられ、次にライン上の任意の必要な圧力を得るために昇圧変圧器が使用される。ナイアガラの滝の2つの発電所はこの慣行の例であり、そこでのすべての交流発電機の電圧は2,200で、そのエネルギーの一部をニューヨーク州バッファローへ伝送するために22,000に上げられる。似た慣行はオグデンの水力発電所で採用され、発電機は地元配布のために2,300ボルトの電流を供給し、変圧器がユタ州ソルトレイクシティへの伝送のために圧力を26,000ボルトに上げる。ミシガン州スーセントマリーの32,000キロワット発電所では、交流発電機は2,400ボルトで動作し、その負荷の大部分は地元であるが、この電圧は伝送ラインが運用されたときに変圧器によって上げられるだろう。
地元負荷をほとんどまたは全く担わない発電所では、発電機が伝送ラインで必要な電圧を発生する場合、変圧器のコストを節約できる。この可能な節約は、電機子コイルで15,000もの高い電圧を発生する交流発電機の開発につながった。このような交流発電機はすべての場合で固定電機子を持ち、回転磁石またはインダクタタイプのいずれかである。
現在、アメリカ合衆国で10,000ボルト以上で動作する多くの伝送システムがこれらの圧力を交流発電機の電機子コイルで発生しており、そのようなシステムの数は急速に増加している。ライン電圧が15,000未満の新しい作業で昇圧変圧器を省略するのが今や例外ではなく規則である。おそらく現在定期運用中の交流発電機の電機子コイルからの電流で最長の伝送ラインは、ポーツマス発電所とニューハンプシャー・トラクションシステムのペルハムの変電所の一つ間の13,200ボルトでのもので、距離は42マイルである。
少なくとも一つの現在建設中の伝送システム、ワシントン、ボルチモア＆アナポリス電気鉄道のものでは、昇圧変圧器の介在なしにラインを供給する発電機の電圧は15,000になる。
これらの交流発電機を作っている会社は、需要があれば電機子コイルで20,000ボルトを発生する他のものを供給する準備ができていると言われている。約13,000ボルトの交流発電機が電気鉄道ライン沿いの伝送のためにかなりの数で設置されている。
交流発電機
高電圧交流発電機を使用するシステム。 電圧。
オンタリオ州電気開発会社、ナイアガラの滝 12,000
照明と路面電車、ニューハンプシャー州マンチェスター 10,000
照明と路面電車、ニューハンプシャー州マンチェスター 12,500
照明と電力、メイン州ポートランド 10,000
照明と電力、メイン州ノースゴーラム 10,000
マリソン・パワー社、メイン州ウェストブルック 10,000
照明と電力、メイン州ルイストン 10,000
電気鉄道、ニューハンプシャー州ポーツマス 13,200
電気鉄道、マサチューセッツ州ピッツフィールド 12,500
ラドロー・ミルズ、マサチューセッツ州ラドロー 13,200
電気鉄道、マサチューセッツ州ボストンからウースター 13,200
電気鉄道、ニューヨーク州オールバニー＆ハドソン 12,000
エンパイア・ステート・パワー社、ニューヨーク州アムステルダム 12,000
レハイ・パワー社、ペンシルベニア州イーストン 12,000
ハドソン川パワー社、ニューヨーク州メカニクスビル 12,000
照明と電力、サウスカロライナ州アンダーソン 11,000
フリーズ製造社、ノースカロライナ州セイラム 12,000
照明と電力、コロラド州アウレイ 12,000
ワシントン＆ボルチモア電気鉄道 15,000
カナディアン・ナイアガラ・パワー社、ナイアガラの滝 12,000
オンタリオ・パワー社、ナイアガラの滝 12,000
この高電圧交流発電機のリストは網羅的なものではないが、それらの広範な適用を示す。容量単位あたりで低電圧交流発電機プラス昇圧変圧器よりも低い価格でこのような交流発電機を購入できる場合、伝送システムに高電圧機械の明らかな利点がある。この利点は、ライン電圧を発生する交流発電機の効率が低電圧交流発電機プラス昇圧変圧器の組み合わせよりも高い部分にあるかもしれない。しかし、高電圧発電機の減価償却と修理が低電圧発電機の同様の料金よりも実質的に大きいかどうかは確かではなく、この偶発事態をカバーするために価格のいくらかの利点が必要である。
交流発電機の電圧を実際の目的でどれだけ押し上げられるかは不確かであるが、固体絶縁に十分なスペースがあり、コイルを油に浸すことができる変圧器の限界よりもはるかに低いはずである。10,000ボルト以上の発電機の使用は、伝送ラインのマイルあたりのボルトを下げる傾向があり、一部のケースではポーツマスからペルハムへの42マイル伝送のように、昇圧変圧器を追加するよりもライン導体の重量を増やす方が良いようである。
第X章。
送電システムにおける変圧器。
変圧器は、長距離の電気送電システムではほぼ常に必要である。なぜなら、線路電圧が発電機の電圧よりも高いか、少なくとも配電の電圧よりも高いためである。発電所または受電所での変圧器は、投資の増加を意味し、対応する作業容量の増加なしに追加の運用損失を生じるため、可能な限りその使用を避けることが望ましい。15マイル未満の短距離送電では、発電所での変圧器の使用を避けるのが一般的により良い。場合によっては、送電距離が2～3マイルしかない場合、変電所での変圧器を省略する方がさらに経済的である。
したがって、エネルギーを2マイル送電し、工場で大型モーターに適用したり、2,500ボルトで配電したりする場合、三相送電線用の裸銅導体のコストは、銅が1ポンドあたり15セントで、フルロード時の損失が5パーセントの場合、線路容量1キロワットあたり約6ドルである。このような線路の平均損失は、おそらく一組の変圧器とより高い電圧の線路の損失と同じくらい小さい。さらに、変圧器なしの2,500ボルト発電機と線路の初期コストは、より高い電圧の発電機と線路および変電所での降圧変圧器のコストよりも低い。
現在、13,500ボルトまでの発電機が定期的に製造されているため、比較的短距離の送電システムの主発電所では昇圧変圧器を省略するのが一般的である。この慣行は、マンチェスター、N.H.への13,500ボルト送電、ルイストン、Me.への10,000ボルト送電、セーラム、N.C.への12,000ボルト送電で採用された。
25マイル以上のほとんどの送電では、発電所での昇圧変圧器と変電所での降圧変圧器が使用される。これまで、送電線で実用的に使用された最高電圧（つまり50,000～60,000）は、実験作業で変圧器が生成した圧力よりもはるかに低い。これらの後者の電圧は、多くの場合で100,000を超えている。主発電所で使用される変圧器の数と容量は、そこにある発電機の数と個別容量との関係で大きく異なる。場合によっては、変圧器の数が三相発電機の3倍であり、各変圧器の容量は各発電機の容量の3分の1またはそれよりやや大きい。
[イラスト: FIG. 53.–モントリオール中央変電所の変圧器。]
したがって、ハドソン川のスピア・フォールズ発電所では、アルバニーや他の都市に電力を送電しており、昇圧変圧器の数は30で総容量は24,014キロワットである。一方、三相発電機の総数は10で、合計容量は24,000キロワットである。もう一つの慣行は、各変圧器の容量を三相発電機の容量の3分の1より大きくし、変圧器の総数を発電機の数の3倍未満にすることである。このような例は、セントポールに電力を送電するアップル川発電所に存在する。この発電所には、750キロワット各の三相発電機が4台あり、500キロワット各の変圧器が6台あり、これらはそれぞれ3台ずつの2組に接続されている。各三相発電機に3台の変圧器を使用する代わりに、2～3台の発電機に3台の変圧器を使用する方が、使用中の変圧器をフルロードに保ち、したがって効率を高める傾向がある。一方、効率は変圧器のサイズが大きくなるにつれて少し増加し、単位容量あたりの初期コストは各サイズが大きいほど低くなる傾向がある。
この問題のもう一つの解決策は、各三相発電機に1台の変圧器を提供し、各変圧器に3組のコイルを巻き、発電機の全出力がそれに入るようにすることである。この慣行は、オーリコン、スイスに電力を送電するホッホフェルデン水力発電所で採用されており、また、26,000ボルトのエネルギーを複数の工場に送電するグルノーブル、フランスの水力発電所でも採用されている。三相変圧器を使用すると、各発電機とその変圧器が独立したユニットを形成し、任意に線路に接続できるため、変圧器をフルロードに保つ傾向がある。
三相変圧器はヨーロッパで多く使用されているが、アメリカ合衆国ではこれまでほとんど適用されていない。単相変圧器はもちろん、使用する三相発電機の数に制限されるが、そのような変圧器は定期的に2台または3台のグループで発電機と線路に接続されなければならない。そのような設備は、ミズーリ川のカニオン・フェリーにある7,500キロワット発電所で部分的に提供されており、そこには750キロワット各の三相発電機が10台ある。この発電所の変圧器には、325キロワット各のものが12台あり、それぞれ3台ずつの4組に接続されており、また950キロワット各の変圧器が6台あり、これらも3台ずつのグループに接続されている。これらの大型変圧器のうち3台は、2,850キロワットの容量を持ち、4台の発電機の容量にほぼ等しい。
二相発電機の場合、単相変圧器はペアで接続され、各発電機に2台の変圧器を提供するのが一般的である。したがって、ファーミントン川のレインボー発電所では、ハートフォードにエネルギーを送電しており、二相型の発電機が2台あり、それぞれ600キロワット定格で、300キロワット定格の変圧器が4台ある。
変圧器の過負荷時の調整が発電機ほど良くないため、各変圧器グループに発電機または発電機群のエネルギーが通過する容量よりやや大きい容量を与えるのが良い慣行のようである。この計画は、カニオン・フェリー発電所で明らかに採用されており、そこでは総発電機容量が7,500キロワットで、昇圧変圧器の総容量は9,600キロワットである。そこにある325キロワット変圧器の各グループは975キロワットの容量を持ち、各発電機は750キロワットのみである。通常、二相または三相発電所での変圧器グループの数は、発電所が供給する送電回路の数より大きくされるが、これは先ほど考慮した理由の一部によるものである。これがそうでない場合、少なくとも各回路が他の回路から独立した変圧器で運用できるように、送電回路の数だけ昇圧変圧器のグループを持つことが一般的には望ましい。
変電所では、各送電回路ごとに変圧器のグループを持つことが望ましく、さらに変圧器の容量を細分化して運用中の変圧器をほぼフルロードに保つか、各種類のサービスまたは各配電回路ごとに変圧器のグループを提供する必要がある場合もある。変電所のすべての変圧器は、受けるエネルギーの発電機の容量から昇圧変圧器と線路の損失を引いた容量に少なくとも等しい総容量を持つべきである。変電所の変圧器は、発電所の変圧器の数や個別容量と必ずしも対応せず、変電所の変圧器の数は、それらに供給される発電機の数と必ずしも関係がない。
カニオン・フェリーからビュート変電所まで2つの送電回路が延びており、その変電所には950キロワット定格の変圧器が6台あり、三相運用で2つのグループに分けられている。この変電所設備は、発電所の950キロワット変圧器6台にのみ対応する。なぜなら、そこにある小型変圧器の4つのグループはヘレナへの送電線に供給するために使用されているからである。
アップル川発電所の全出力を受けるセントポール変電所では、500キロワット各の変圧器が6台あり、2つの三相送電回路からエネルギーを受ける変圧器が10台ある。これらのうち6台は300キロワット定格である。300キロワット変圧器はそれぞれ3台ずつの2つのグループに接続され、200キロワットはそれぞれ2台ずつの2つのグループに接続され、三相から二相に電流を変換している。変電所の変圧器の総容量はこうして2,600キロワットであり、発電所の変圧器の容量は3,000キロワットである。水力発電所に4台の発電機がある一方で、変電所には10台の変圧器があり、そこですべてのエネルギー（損失を除く）が供給される。
ワーターブリートでは、スピア・フォールズにある大型発電所のシステムのいくつかの変電所の1つが位置しており、各変圧器の容量は1,000キロワットであるが、スピア・フォールズの各変圧器の定格はこの数値以下である。
マンチェスター、N.H.の変電所では、4つの水力発電所からほぼすべてのエネルギーを受けており、それらの発電所には総容量4,030キロワットの発電機が8台あり、総定格4,200キロワットの降圧変圧器が21台設置されている。これらの21台の変圧器は、5つが三相で1つが二相の6つの回路から供給される。変圧器の一部はモーター発電機に電流を供給し、路面電車用の500ボルト電流を生成し、残りの変圧器は交流を配電する回路に供給する。
これらの例から、実際には変電所で各送電回路ごとに1つまたは複数の変圧器グループが使用され、これらの変圧器の総数はそれらにエネルギーを供給する発電機の数と等しいか数倍であり、変圧器の個別容量は単一発電機の容量の3分の1未満からそれ以上までの範囲であることがわかる。
主発電所の変圧器グループは、一次巻線で発電機の電圧に、二次巻線で送電線の電圧に対応しなければならない。変電所の変圧器は線路電圧で電流を受け取り、地元配電で望まれる圧力でそれを供給する。昇圧変圧器が使用される場合、発電機の圧力はほぼすべての場合で500～2,500ボルトの間のどこかにある。
カニオン・フェリー発電所では、変圧器の電圧は一次巻線で550、二次巻線で50,000である。オークランドにエネルギーを送電するコルゲート発電所では、2,400ボルトの発電機圧力が変圧器により40,000ボルトに上げられる。アップル川発電所の電圧は800で、変圧器がセントポールへの線路のために圧力を25,000に上げる。ナイアガラの滝発電所の変圧器は、2,200から22,000に電圧を上げ、バッファローへの送電を行う。
変圧器は一次および二次コイルで任意の望まれる電圧比で巻くことができるため、昇圧変圧器が使用される場合、最も経済的な建設を可能にする発電機圧力を選択できる。一般的に、各発電機の容量が大きいほど、その電圧と昇圧変圧器の一次コイルの電圧が高くなるべきであり、経済的な建設のためである。変電所では、配電の要件が明らかに変圧器の二次電圧を固定する。
変圧器の重量とコストは、使用される交流の周波数に部分的に依存し、他の要因が一定の場合、電流が1秒あたりに完了するサイクル数が高いほど変圧器は軽く安価になる。この事実にもかかわらず、数年間の傾向は低い周波数に向かっている。なぜなら、低い周波数は送電システムでの誘導効果、誘導モーターを通じた電力配電、ロータリーコンバーターの建設と運用、発電機の建設で顕著な利点を示すためである。長距離送電が最初に重要になったときの交流システムで一般的だった133サイクル/秒の代わりに、60サイクル/秒が現在そのような送電システムでの電流変化の最も一般的な速率である。しかし、実践は常にさらに低い周波数に拡張されている。最初のナイアガラの滝発電所は25サイクル/秒で、一般配電の下限に達した。なぜなら、この数値では白熱照明がわずかに満足でき、アーク照明は明らかに望ましくないためである。
カニオン・フェリーからビュート、コルゲートからオークランド、エレクトラからサンフランシスコへの大規模送電が60サイクルで運用されているのに対し、コロラドのカニオンシティとクリップルクリーク間のシステム、およびソールト・サント・マリーの大規模発電所は30サイクル電流を使用し、スピア・フォールズからスケネクタディ、アルバニー、トロイへの線路は40サイクル/秒の電流を意図している。これらの例から、変圧器の体積とコストが送電システムでの電流周波数の選択の支配要因ではないことがわかる。
[イラスト: FIG. 54.–サラトガ変電所の1階。]
発電所または変電所で使用される変圧器は、多くの場合で特別な手段で冷却される。
いわゆる人工冷却の利点は、変圧器の重量と初期コストが小さく、巻線の絶縁の寿命が長いかもしれないことである。これらの利点のためには、運用コストのわずかな増加を支払わなければならない。発電所の変圧器は通常、圧力下で空気をケースに強制的に通すか、変圧器ケースに充填された油の中にパイプを通す水で冷却される。空気噴射冷却が採用される場合、電動モーターまたはそれを運転する他の動力源を備えたブロワーを提供しなければならない。変圧器が油絶縁で水冷却の場合、循環を維持するための圧力が必要である。水力発電所のほとんどで変圧器の冷却に適した水頭の下で自由水が得られる場合、コストは非常に少ない。水を購入し変圧器を通すためにポンプで送る必要がある場合、そのコストは通常空気噴射冷却のコストより大きい。ある製造業者は、フルロードで運用する場合に、おそらく変圧器の温度が35℃を超えて上昇しないように、15℃の水を変圧器に強制的に通す速率の近似値を以下のように与えている。
変圧器–キロワット。ガロン/分。
150 0.5
400 .75
400 1.00
1,000 1.5
75 .37
主発電所または変電所での変圧器を冷却する空気噴射は、2つの方法のいずれかで提供できる。1つの計画は気密の区画を構築し、その上部の開口部の上に変圧器を配置し、外側から冷たい空気を吸い込むブロワーファンにより区画に圧力を維持することである。このような配置は、マンチェスター、N.H.の変電所で実施されている。この変電所の地下室は気密で、その上のコンクリート床には27個の長方形の開口部があり、それぞれ25×30インチで、200キロワット変圧器の設置を意図している。これらの開口部上の総変圧器容量はこうして5,400キロワットになる。この地下室の圧力は、変電所の外側約9フィート上の地上でフードで終わる金属ダクトを通じて外気を取り込むことで維持される。この変電所の屋根には、変圧器を通って強制された熱い空気の出口を許す十分な天窓開口部がある。気密の地下室には、圧力を維持するブロワーに接続された10馬力の電動モーターが2台ある。この場合、各200キロワット容量の変圧器ごとにモーター容量が1馬力未満であることに注意できる。
冷却される変圧器が6台または9台を超えない場合、各3台の変圧器グループごとに別々のモーターとブロワーを提供し、各ブロワーから金属ダクトで空気をその変圧器グループに直接導くのが一般的であり、こうして空気室の必要性を避ける。このような場合、平方インチあたり3/8オンスの空気圧を与えるブロワーと、100～150キロワット定格の3台の変圧器グループごとに一般的に1馬力容量のモーターが提供される。空気噴射冷却が採用される場合、空気が変圧器コイルとコアに密接に接触する必要があるため、油絶縁を実施できない。水冷却付き油絶縁と空気噴射冷却付き乾式絶縁の両方が、大容量で高電圧の送電システムで広く使用されている。
線路圧力が40,000ボルトのコルゲート発電所では、700キロワット変圧器が油絶縁で水冷却であり、これはカニオン・フェリーとビュート間の50,000ボルト送電の950キロワット変圧器についても同じである。一方、26,500ボルトで実施されたスピア・フォールズ、スケネクタディ、アルバニー間の送電システムには、数百から1,000キロワット各の容量の変圧器が含まれており、すべて空気冷却である。水冷却変圧器または空気噴射冷却のいずれも、空気または水の循環を増加させて過負荷が許容温度を超える加熱を引き起こさない限り、ある程度安全に過負荷できる。
変圧器を通る空気または水の循環は、変圧器を設置された部屋の空気温度以下に冷却する程度に強制されるべきではなく、これにより部品に水の凝縮を引き起こすためである。
場合によっては、正常値から各方向に10パーセント以上の範囲で変圧器電圧の調整手段を提供することが望ましい。この結果は、変圧器巻線の一端の複数のセクションを端子板に接続し、そこで任意に動作から切り離したり入れ替えたりすることで達成される。調整は通常、比較的低い電圧の二次巻線で望まれ、調整セクションは一般的にそのような巻線の一部を形成するが、これらのセクションは一次巻線に配置できる。
変圧器の数を少なくし、各容量をそれ以外より大きくするために、各変圧器の低電圧二次巻線を電気的に接続のない2つ以上の部分に分けることが実用的である。これらの異なる巻線部分は、別々の配電線または他のサービスに接続できる。このような例は、マンチェスター、N.H.送電システムのフックセット変電所に存在する。この変電所では、約11,000ボルトの三相電流が3台の変圧器の一次巻線に入る。これらの変圧器の各々は単一の一次巻線を持つが、2つの異なる二次巻線を持つ。これらの二次巻線の3つ（各変圧器に1つずつ）は一緒に接続され、約380ボルト、三相でロータリーコンバーターに供給する。他の3つの二次巻線は同様に2番目のロータリーコンバーターに接続される。これらの変圧器の各々は250キロワット定格で、各ロータリーは300キロワット定格であるため、変圧器容量は750キロワット、コンバーター容量は600キロワットになり、鉄道サービスのための望ましい変圧器容量の余裕を与える。通常の接続と巻線方法では、この変電所に125キロワット各の変圧器が6台必要だっただろう。
送電線の高電圧は、二次コイルを直列に組み合わせた2台以上の変圧器の組み合わせで得られる。この方法は、1891年に開始されたサン・ベルナルディノとポモナへの10,000ボルト送電のような初期の送電で採用され、各々が500ボルトを与える20台の変圧器が高電圧コイルを直列に使用された。このような配置のいくつかの欠点は、変圧器容量の単位あたり高いコストと低い効率である。
単相システムでは、2台以上が直列に接続されない限り、各変圧器のコイルで最大線路圧力を開発または受ける必要がある。これは独立回路を持つ二相システムのいずれの相についても同じである。三相回路では、2本のワイヤ間の変圧器コイルは明らかにフル線路圧力で動作する。グループの3台の変圧器がメッシュまたはΔ形で線路に接続された場合、同じ結果が得られる。グループの3台の変圧器がスターまたはY形で接続された場合、各変圧器のコイルはグループが接続された三相線路の任意の2本のワイヤ間の電圧の58パーセントにさらされる。二相または三相回路の2本のワイヤ間に2台以上の変圧器を直列に接続する慣行はもはやなく、各位置に単一の変圧器を使用する方が安価で効率的である。
三相システムで非常に高い電圧を開発または受ける必要がある場合、各3台の変圧器グループのスターまたはY接続は、メッシュまたはΔグループよりも各変圧器の絶縁への負担が低い利点を持つ。したがって、Δグループが使用される場合、線路圧力は各変圧器コイルのそれに等しいが、Yグループが使用される場合、線路電圧は各変圧器コイルの1.73倍である。
コルゲート発電所では、700キロワット変圧器はY接続された三相線路で最大圧力60,000ボルト用に設計されており、対応する電圧は二次コイルで34,675である。これらの同じ変圧器の一次コイルはメッシュまたはΔ形で接続され、各コイルは発電機圧力の2,300ボルトで動作する。
変圧器は場合によっては、コイルへの複数の接続セットを提供され、広く異なる圧力で運用できる。したがって、コルゲート発電所では、各変圧器は二次コイルからタップを引き出されており、一次コイルで2,300ボルトで23,175、28,925、または34,675で運用できる。各二次コイルで名指しされた3つの電圧に対応するのは、これらの変圧器の3台をY形で接続した三相線路での40,000、50,000、60,000の電圧である。
メッシュまたはΔ接続は、非常に高い電圧の送電線上の変圧器コイル間で使用される。カニオン・フェリーとビュート間のシステムの950キロワット変圧器はこの慣行を示しており、50,000ボルト線路にΔ形で接続されている。
Δ接続で望まれる線路電圧で運用できる変圧器がY接続を必要とする変圧器のコストよりわずかに高い場合、前者を選択するのがしばしばより良い慣行である。なぜなら、これにより単にY接続に変更するだけで将来いつでも送電電圧を73パーセント増加できるためである。このような電圧増加は、負荷の増加や送電線の延長のために望ましくなるかもしれない。このような例は、数年前にオグデンとソルトレイクシティ間の送電に関連して発生し、変圧器の高圧コイルがΔ形で接続された16,000ボルト、三相で運用されていた。Y接続に変更することで、変圧器絶縁への負担を増加せずに線路電圧を73パーセント上げた。
場合によっては、送電または配電の目的で交流を二相から三相に、またはその逆に変更することが望ましく、これは静止変圧器により容易にできる。この結果を達成するためにしばしば使用される方法の1つは、二相回路の反対の相に接続された2台の変圧器の使用を含む。これらの変圧器の1つの三相コイルは、望まれる三相電圧用に設計され、その中央点からタップを引き出すべきである。他の変圧器の三相コイルは、望まれる三相電圧の87パーセント用に設計されるべきである。三相電圧の87パーセント用に設計されたコイルの一端は、他方の変圧器の三相コイルの中央タップに接続されるべきである。87パーセントコイルの他端は三相回路の1本のワイヤに行く。この回路の他の2本のワイヤは、中央タップを持つコイルの外端にそれぞれ接続されるべきである。例として、発電機からの500ボルト、二相電流を20,000ボルト、三相電流に変換する必要があるかもしれない。この作業には、一次コイルで500ボルト用に設計された2台の変圧器が必要である。これらの変圧器の1つは二次コイルを20,000ボルト用に設計し、変換比は20,000÷500または40対1であり、このコイルの中心からタップを引き出すべきである。他の変圧器は二次電圧を0.87×20,000=17,400とし、変換比は34.8対1である。これらの2台の変圧器は、上記で示された接続で、500ボルト、二相電流を20,000ボルト、三相に変更する。
ハートフォードでの使用にエネルギーを供給する水力発電所の1つでは、300キロワット各の変圧器が4台あり、発電機からの500ボルト、二相電流を10,000ボルト、三相に変更し、送電線用である。
ナイアガラ水力発電所では、発電機が2,200ボルトで二相電流を供給し、975キロワット変圧器がペアで接続され、圧力を22,000ボルト、三相に変更し、バッファローへの送電を行う。
変圧器は場合によっては、電圧を上げ送電線の損失を補償するために使用される。この目的のため、線路圧力を増加させるボルト数を与える変圧器の二次が線路に直列に接続される。この変圧器の一次巻線は、ブーストされた線路または他の源から供給されるかもしれない。
送電作業で一般的に使用される100～1,000キロワット各の容量範囲の変圧器は、一級の構造の場合、フルロードで96～98パーセントの効率を持つ。効率はこの限界内で変圧器容量とともにゆっくり増加し、98パーセントは大型サイズでのみ公正に期待できる。任意の変圧器では、効率はフルロードとハーフロードの間で少し、例えば1～2パーセント低下し、ハーフロードとクォーターロードの間でさらに1パーセント低下すると期待できる。これらの部分負荷での効率の数値は、変圧器の設計と製造により多少異なる。一般的に、昇圧または降圧変圧器は容量1キロワットあたり約7.50ドルのコストで、または低電圧ダイナモの同種コストの約半分である。送電線に十分高い電圧のダイナモが、低電圧ダイナモと昇圧変圧器の組み合わせコスト以下で得られる場合、後者を避け、アーマチュアコイルで線路電圧を開発するのが通常利益になる。この計画は一組の変圧器での損失を避ける。
送電システムにおける変圧器。
+——————————-+———-+———+———+
| | 発電所 | 変電所 | 発電所 |
| | の変圧 | の変圧 | の発電 |
| | 器 | 器 | 機 |
|送電システム。 | +—-+—–+—+—–+—+—–+
| | 数 | Kw. |数 | Kw. |数 | Kw. |
| | | 各 | | 各 | | 各 |
+——————————-+—-+—–+—+—–+—+—–+
|カニオン・フェリーからビュート | 12| 325 |[A]| [A] |…| … |
| | 6 | 950 | 6 | 950 | 10| 750 |
|アップル川からセントポール | …| … | 6 | 300 |…| … |
| | 6 | 500 | 4 | 200 | 4 | 750 |
|ホワイト川からデールズ | 3 | 400 | 3 | 375 | 2 | 500 |
|ファーミントン川からハートフォード | 4 | 300 |…| … | 2 | 600 |
|オグデンからソルトレイク |[B]9| 250 |…| … | 5 | 750 |
|コルゲートからオークランド | …| 700 |…| … | {3|1125 |
| | | | | | {4|2250 |
|プレサンプスコット川からポートランド | …| … | {6| 200 |…| … |
| | | | {3| 150 | 4 | 500 |
| | | | | | {1| 180 |
| | | | | | {3| 300 |
|4つの水力発電所からマンチェスター| …| … | 21| 200 | {1| 450 |
| | | | | | {4| 650 |
| | | | | | {1|1200 |
+——————————-+—-+—–+—+—–+—+—–+
[A] ヘレナ変電所の他の変圧器。
[B] エネルギーの一部は発電機から直接配電。
第XI章。
スイッチ、ヒューズ、および回路ブレーカー。
電気送電は、スイッチングの技術に革命をもたらした。配電線でカバーされる距離が数百ボルトの圧力しか必要としなかった限りでは、発電機とフィーダーのスイッチ接点は、垂直のマーブルスラブの表面に一列に露出され、数インチの距離で互いに分離されるだけで十分だった。これらのスイッチは、重い過負荷時でも手動操作が可能で、オペレーターへの人身傷害の危険や、単一スイッチの部品間または隣接するスイッチ間の破壊的なアークの危険がなかった。これらのマーブルスラブの背面には、1つ以上の裸のバスバーを配置でき、それらの間の偶発的な接触がアークを引き起こし、全体のスイッチボード構造を破壊して発電所を停止させる可能性は低かった。
配電および送電システムでの電気圧力が数千から数万ボルトに上昇したことで、開放型スイッチによる安全で効果的な制御の難易度が大幅に増加した。負荷下で操作される回路の電圧が高いほど、各スイッチの接点部間の距離、および隣接するスイッチ間の距離を大きくする必要がある。このようなスイッチは、回路の電圧が上昇するにつれてオペレーターからより遠くに配置する必要があり、数フィートまたは数ヤードの長さの電気アークに非常に近く立つことは安全ではない。長距離送電が最も一般的である西部では、高電圧で長いブレークスティックスイッチが多用された。これらのスイッチは、回路を開くためのブレークの長さと、スイッチジョーまたはプラグを動かすスティックの長さに依存してオペレーターの安全を確保する。このようなスイッチが使用される場合、各スイッチの接点点間の距離、および複数のスイッチ間の距離を十分に確保することが非常に重要である。10,000ボルト以下の回路では、数ヤードの長さのアークがスイッチブレードの開口部に続き、数秒間持続する場合がある。ロサンゼルスの33,000ボルト送電線では、最近接点で10インチ離れた一対の曲がったワイヤーホーン間でブレークを行う特殊なスイッチが使用されている。これらのホーン間の接触が切断されると、アークは曲がって離れるホーンの部分間を上向きに移動し、最終的に破断する。5,000～10,000ボルト以上の回路で開放型スイッチに必要な非常に大きなスペースのほかに、重い負荷下でこのようなスイッチを開くと発生するアークが接点部を急速に破壊し、中央発電所で好ましくない大量の金属蒸気を生成するというさらなる欠点がある。カラマズーで行われた開放型スイッチの実験（A. I. E. E., vol. xviii., p. 407）では、電圧は25,000～40,000の範囲だった。スイッチで切断された回路の負荷は高度に誘導性で、1,200～1,300キロボルトアンペアだった。25,000ボルトでは、開放型スイッチによって生成されたアークが数秒間持続した。40,000ボルトでは、このスイッチの開口部に続くアークが30フィートを超え、屋外でポールラインの近くにあり、アークがラインワイヤに当たりシステムを短絡させた。重い負荷下の回路を開放型スイッチで開くと発生する電圧の振動が絶縁に非常に危険であることが示された（A. I. E. E., vol. xviii., p. 383）。カラマズーのテストでは、このような振動が開放型スイッチを使用した場合にシステムの通常電圧の2～3倍に達したと報告された。
[イラスト: FIG. 55.–ナイアガラの滝の発電所1と2間の接続。]
上で概説した性質の事実が、オイルスイッチの開発につながった。オイルスイッチの一般的な特徴は、接点部が油に浸され、これらの接点間のブレークが油の下で行われることである。オイルスイッチの2つのタイプがあり、1つはすべての接点部が同じ油浴槽にあり、もう1つは各接点に別々の油浴槽がある。開放型と比較して、オイルスイッチはスペースを大幅に節約し、露出したアークや金属蒸気を発生せず、交流回路で振動や電圧の上昇を引き起こさず、現在使用されている任意の電圧と容量の回路を開くことができる。上記のカラマズーのテストでは、各相で2つのブレークを行う三相オイルスイッチで、すべての6つの接点が単一の油浴槽にあり、25,000ボルトと1,200～1,300キロボルトアークの回路を満足のいく結果で開いた。しかし、40,000ボルトでは、このタイプのスイッチが火を吐き煙を排出して、限界容量近くで動作していることを示した。各6つの接点が別々の円筒形油チャンバーにある三相スイッチが、カラマズーで40,000ボルト1,300キロボルトアーク回路を短絡条件下でも完全に成功裏に開き、スイッチに火や煙が現れなかった。カラマズーのテストで使用された三相スイッチで、各接点が別々の油チャンバーにあるものは、ニューヨーク市のメトロポリタンおよびマンハッタン鉄道発電所で使用されたスイッチと構造が類似していた。これらのスイッチの各々では、各相の2つのリードが2つの直立した真鍮シリンダーで終わる。これらのシリンダーは、スイッチが開かれたときにアークの横跳びを防ぐためのファイバーライニングを持ち、各シリンダーは油で満たされる。各相の2つの真鍮シリンダーには、絶縁ブッシングを通した∩形の接点片が浸され、この接点片の端は油ポットの底の端子に適合する。木製ロッドが∩形接点片の中心または上部を結合し、三相スイッチの3つのロッドはスイッチコンパートメントを通って外側の操作機構に上る。6つの真鍮シリンダーと3つの∩形接点片は、通常、レンガ工事と石スラブで完全に構築されたスイッチセルに取り付けられる。三相スイッチの場合、レンガと石のセルは3つの完全に別々のコンパートメントを持ち、各コンパートメントには単一相の端子を形成する2つの真鍮シリンダーが含まれる。セルの上部と外側には、木製スイッチロッドを動かす機構が取り付けられる。電圧が6,000のメトロポリタン発電所では、∩形接点片とそのロッドの垂直移動は12インチである。運用電圧が12,000のマンハッタン発電所では、スイッチを開くときの∩形接点の垂直移動は17インチである。メトロポリタン発電所のスイッチでの各相の総ブレークはこうして24インチ、つまり1,000ボルトあたり4インチであり、マンハッタン発電所のスイッチでの相あたりの総ブレークは34インチ、つまり総圧力の1,000ボルトあたり2.66インチである。
オイルスイッチは現在、2,000ボルト以上で一般配電の目的で動作する交流回路で非常に一般的に使用されている。このような中程度の電圧の回路では、さらにより高い電圧でも、三相スイッチの場合に6つの接点全体が単一の油貯蔵庫に浸されるオイルスイッチを使用するのが一般的である。このようなスイッチは通常、手で直接操作され、スイッチ機構を駆動するハンドルが位置するスレートまたはマーブルボードの背面または近くに位置する。このような作業の良い例は、マンチェスター、N.H.の変電所で見られ、4つの水力発電所からのエネルギーが7つの送電線で供給され、2,000ボルト三相のより多くの地元回路で配電される。マンチェスターの変電所にエネルギーを供給する水力発電所の1つであるガービンズ・フォールズ発電所では、発電機は12,000ボルト三相で動作し、これらの発電機はマーブルスイッチボードの背面の手動操作オイルスイッチを通じてバスバーに直接接続される。これらの最後に挙げたスイッチは、マンチェスター変電所のものと同じように、各々のすべての接点を単一の油貯蔵庫に持つ。
非常に高い電圧で数百キロワットしか関係しない場合、および2,000ボルトの低い圧力で数千キロワットに達する電力の場合でも、オイルスイッチをスイッチボードとバスバーの近くから除去することが非常に望ましい。大きな電力および非常に高い電圧は、スイッチを操作しながら近くに立つ必要があるアテンダントへの人身危険の要素を増加させるだけでなく、スイッチの故障や短絡から生じる他の装置への損傷をはるかに深刻にする。
[イラスト: FIG. 56.–ノースカロライナ、フレンチブロード川の発電所のスイッチボード背面のワイヤールーム。]
スイッチが操作ボードから距離を置かれるとすぐに、電力制御の方法が必要になることが明らかになる。なぜなら、スイッチボードのオペレーターは装置の任意の部分の接続を迅速に作ったり切ったりできるべきだからである。非常に大きな電力のためのスイッチを操作ボードから距離を置く必要性と、接続を作ったり切ったりするための機械的電力の適用は、オイルスイッチの開発前に満たされた。したがって、1893年の最初のナイアガラ発電所（A. I. E. E., vol. xviii., p. 489）では、3,750キロワット、2,200ボルト発電機のスイッチは、開放型であるが、発電機室に構築された特殊スイッチコンパートメントに位置し、操作ボードからある距離のケーブルサブウェイの上にあった。これらのスイッチは、スイッチボード近くのレバーの移動により空気が入れられる圧縮空気シリンダーを通じて作動した。明らかに、この容量のスイッチ–極あたり1,000アンペアと2,200ボルト、二相–は、必要な大きな努力のため、どこに位置しても手力で操作することはできない。ナイアガラの滝の第2発電所では、ニューヨークのマンハッタン高架鉄道発電所で使用されたものと類似したオイルスイッチが使用されたが、二相だった。これらのナイアガラの滝のオイルスイッチの各々は、以前の開放型スイッチと同じように5,000馬力の容量を持ち、電気的に作動する。
[イラスト: FIG. 57.–ナイアガラ発電所No. 2のオイルスイッチ下のケーブルサブウェイの断面。]
これらの電気的に操作されるオイルスイッチでは、小型モーターが接点部を含むレンガセルの上に位置し、このモーターはスイッチを開閉するスプリングを解放し圧縮する。数千または数百キロワットで2,000ボルト以上の回路を開くために開放型スイッチを使用するのは望ましくないが、それでも可能である。これは、最初のナイアガラの滝発電所の経験で示されており、2,200ボルト二相スイッチが相あたり600アンペア以上の電流を繰り返し開き、傷害的なスパークなしだったと報告されている。カラマズーの実験で示された単純な開放型スイッチの開口部に続く電圧の大上昇は、最初のナイアガラスイッチで簡単な工夫により避けられた。これらの5,000馬力開放型スイッチでは、高抵抗のシャントが各対の接点間に接続され、電流の本体を運ぶブレードとジョーが回路を完全に開かないようにした。これらのスイッチのメインジョーが開かれると、シャント抵抗は補助端子で後に破断されるまで回路に残る。これらのスイッチの1つが開かれたときに過度の電圧上昇が発生しなかったことは、スイッチに並列に2つの鋭い端子を接続し、これらの端子を一定の距離に調整することで示された。スイッチを開いたときに電圧が所定の量を超えて上昇した場合、尖った端子間の距離をジャンプするスパークによりアークが形成されたはずである。
[イラスト: FIG. 58.–スピア・フォールズラインのスケネクタディスイッチハウス。]
[イラスト: FIG. 59.–スピア・フォールズラインのサラトガスイッチハウスの2階平面図。]
高い電圧、例えば5,000以上での安全で信頼性のある運用は、装置の各要素が他のすべての要素から隔離され絶縁されることを要求し、1つの要素の故障または破壊が他のものを深刻に危険にさらさないようにする。この目的で、各発電機からそのスイッチへのケーブルは、他のケーブルを含まないレンガまたはコンクリートのコンジットに敷設されるべきである。各スイッチの各相のレンガまたは石コンパートメントは、その相の接点が破壊的にアークしても他の相の接点に損傷を与えないほど頑丈であるべきである。バスバーは、スイッチのように、操作スイッチボードから除去されるべきである。なぜなら、それらの間のアークがその上の他の装置を破壊し、ボード自体さえも破壊するかもしれないからである。非常に高い電圧を制御する場合、バスバーをスイッチボードから除去するだけでは十分ではなく、各バーを別々のレンガコンパートメントに位置させるべきで、2つ以上のバー間の偶発的な接触によりアークが開始されないようにする。バスバーのレンガと石コンパートメントを水平に1つずつ上に構築するのが便利である。各コンパートメントの上面と下面は、石スラブで便利に形成され、片側にレンガのピアがあり、もう片側に連続したレンガ壁で石スラブを位置に保持する。バスバーへの接続は、コンパートメントの背面と呼べる連続したレンガ壁を通るべきである。コンパートメントの前面のレンガピア間の開口部を閉じるために、可動の石スラブを使用できる。バスバーから離れるフィーダーは、これらのバーに走るダイナモケーブルと同じように、単一のコンパートメントに密にグループ化されるべきではなく、各ケーブルまたは回路は発電所から出るポイントまで別々の耐火コンジットに敷設されるべきである。
[イラスト: FIG. 60.–サラトガスイッチハウスのグラウンドフロア。]
大きな電力が伝送される多数のフィーダーを単一の可燃コンパートメントにグループ化する愚かさは、1903年1月29日に最初のナイアガラ発電所を変圧器ハウスに接続するケーブルを破壊した事故でよく示された。その日の夕方、雷がNo. 1発電所を変圧器ハウスに接続する短いブリッジのケーブルの1つを短絡し、このブリッジのすべてのケーブルが、地元消費者だけでなくバッファローの鉄道と照明を供給するものが破壊された。このブリッジにはおそらく36本以上のケーブルが含まれていた。なぜなら、事故後24時間以内にその数の新しいケーブルが設置されたからであり、これらのケーブルは可燃絶縁で覆われ、密接に近接していた。結果はケーブルの損失だけでなく、電力利用者への損害だった。これらのケーブルが別々の耐火コンジットに位置していた場合、雷に直接影響を受けた1つだけが破壊された可能性が高い。
バスバーのレンガと石コンパートメントは、ニューハンプシャー・トラクション会社のポーツマス発電所のように、スイッチボードの下の地下室に位置できるか、発電所の他の装置から十分に離れた他の場所に位置できる。ナイアガラの滝の発電所No. 2では、フロアレベル下のケーブルサブウェイが発電機の列と平行に全長を走る（A. I. E. E., vol. xix., p. 537）。このサブウェイは幅13フィート9と3/4インチ、高さ10フィート6インチで、バスバーコンパートメントの2つの構造が位置する。これらの構造の各々は高さ約6.6フィート、幅1.8フィートで、4つのバスバーコンパートメントを含む。各コンパートメントには単一のバーがあり、4つのバーは二相作業のための2セットを形成する。バスバーコンパートメントの上とフロアレベルから上昇するのはオイルスイッチである。ケーブルサブウェイの長さの中間と2つのオイルスイッチグループ間のスペースは、スイッチボードギャラリーが占め、フロアの上にいくらか上昇し、11の発電機、22のフィーダー、2つの相互接続、および1つの励磁パネルを運ぶ。発電所No. 1では、バスバーはすでに言及した5,000馬力開放型スイッチの上部の共通スペースに位置し、各バーは加硫ゴム絶縁を持ち、ブレイドで覆われ、その外側にツワインのラッピングがある。もちろん、このような絶縁は、偶然アークがバー間で開始された場合、何の意味も持たない。各バスバーが独自の耐火コンパートメントを持つ場合、ナイアガラ発電所No. 2のように、各バーに直接絶縁を適用するのは必要でも望ましくもない。したがって、各バーが独自の耐火コンパートメントを持つ一般的な慣行では、バー裸の銅ロッドで構築する。
発電機とフィーダーのメインスイッチが操作ボードから除去され、電動モーターまたはマグネットにより作動する場合、オペレーターが直接関わるボードの小型スイッチはもちろん、これらのマグネットまたはモーターを制御する。操作ボードの小型スイッチはリレースイッチと呼ばれ、これらのスイッチで開閉される回路の電流は、蓄電池または励磁ダイナモの1つから便利に得られる。
おそらくリレースイッチの最良の配置は、スイッチボードの面のダミーバスバーとの接続で、ボードの面の接続が常に発電機とフィーダー回路の実際の接続の図を構成するようにする。また、メイン装置の接続を迅速で正しく変更するためには、任意の発電機または任意のフィーダーの制御に必要なすべてのリレースイッチと計器をスイッチボードの単一パネルに集めることが望ましい。この計画が従われる場合、オペレーターはいつでも単一のパネルにその時点で作られる接続に関わるすべてのスイッチと計器を前に持ち、間違いの可能性を最小限に減らす。この計画はナイアガラ発電所No. 2で採用され、各11の発電機と22のフィーダーに別々のパネルが提供される。各11の発電機パネルのそれぞれには2つのセレクターリレースイッチ、1つの発電機リレースイッチ、および1つのリレー発電機フィールドスイッチがある。各22のフィーダーパネルのそれぞれには2つのリレーセレクタースイッチがある。2つの相互接続パネルのリレースイッチは、発電所No. 2のそれぞれ5と6の発電機グループと発電所No. 1の10の発電機間の接続を作る。各パネルには、主電流を運ぶオイルスイッチがそのリレースイッチの移動に応答するかどうかを示すリレーインジケーターがある。
発電機がシステムの最大電圧で動作する場合、ガービンズ・フォールズやマンハッタン高架鉄道の発電所のように、接続の一般的な計画は1つだけと言える。つまり、発電機はシステムの電圧でメインのバスバーに直接接続し、フィーダーまたは送電線もこれらの同じバーに接続する。もちろん、異なる回路や作業クラス用のいくつかのバスバーセットがあるかもしれないが、これは発電機からラインへのスルー接続の一般的な計画を変えない。同様に、スイッチの配置は、各ダイナモまたはフィーダーケーブルに2つのスイッチを直列に配置したり、特定のバスバーセットに複数のスイッチを通じてフィーダーグループを接続し、次に単一スイッチを通じて発電機バスバーからこのバーセットを供給するなどの変動を受ける。
[イラスト: FIG. 61.–スピア・フォールズラインのグレンズフォールズ変電所のスイッチボード配線。]
送電の電圧が昇圧変圧器の使用で得られる場合、これらの変圧器の接続は、スイッチングのほとんどを高圧または低圧回路のいずれかで行う必要があるかもしれない。以前の一般的な慣行は、運用中でない場合の高圧バスバーとの変圧器と送電線の接続と切断を除いて、発電機回路と変圧器の低圧側ですべてのスイッチングを行うことだった。発電機がシステムの最大電圧で動作する場合、発電機をバスバーに接続する1つのスイッチグループと、バスバーを送電線に接続するもう1つのグループの2つのメインスイッチグループのみが必要である。昇圧変圧器が導入されると、通常の接続方法が従われる場合、スイッチグループの数は4に増加し、高電圧と低電圧のバスバーセットの両方がなければならない。つまり、1つのスイッチセットは発電機を低圧バスバーに接続し、もう1つのグループは低圧バーを変圧器の一次コイルに接続し、3番目のグループは変圧器の二次コイルを高圧バーに結合し、4番目のスイッチグループは送電線を高圧バスバーに結合する。昇圧変圧器の二次コイルを高圧バスバーに接続するスイッチ、およびこれらの同じバーへの送電線は、しばしば短いナイフブレード構造の単純な開放型だった。これらのスイッチは、電流が流れていないときに変圧器の二次コイルと送電線を高圧バスバーから切断するために使用され、短いブレークの単純なナイフブレード構造のスイッチはもちろん他の目的では使用できない。このようなスイッチが高圧側の装置にある場合、ライン回路のすべてのスイッチングを低圧側で行う慣行である。
各発電機とその変圧器をスイッチング目的でユニットとして扱い、このユニットのスイッチングを昇圧変圧器の二次または高電圧側で行うことで、このスイッチの倍増の一部を避けることが可能である。この計画の採用はもちろん、システムの最大電圧と過負荷条件下で任意の変圧器グループの二次回路をブレークする能力のあるスイッチの使用を意味するが、現在作られているオイルスイッチはこの要件を満たす能力がある。ライブ回路のすべてのスイッチングが高電圧のものに限定される場合、非常に大きな電流を運ぶ重い接点部を操作スイッチで避けるという付随的な利点もある。各発電機が独自の変圧器グループに直接接続される場合、これらの変圧器の二次コイルはオイルスイッチを通じて高圧バスバーに通り、低圧バスバーの使用を避けることができる。これらの高圧バスバーから送電線はオイルスイッチを通るため、この計画ではオイルスイッチのセットは2つだけ、つまり変圧器の二次コイルを高圧バスバーに接続するものと、送電線を同じバーに接続するものである。各発電機に2つまたは3つの変圧器が使用される場合、2つまたは3つの変圧器の各グループは、運用中でない変圧器の切断と変更の便宜のために短ブレーク、開放型ナイフスイッチを通じてその発電機に接続されるべきであるが、これらのスイッチは運用中の発電機と一次コイルの回路を開くことを意図または要求されない。
[イラスト: FIG. 62.–モントリオール中央変電所の配電スイッチボード。]
上で概説した計画に類似したものは、サンフランシスコのインディペンデント・エレクトリック・ライト・アンド・パワー会社の発電所で採用され、各550ボルト発電機は通常、二相から三相に電流を変更する2つの変圧器の一次コイルに直接接続され、次にオイルスイッチを通じて11,000ボルトの高圧バスバーに供給される。これらのバスバーには、5つの変電所用の11,000ボルトフィーダーがスイッチを通じて接続される。この発電所には、任意の発電機が接続できる550ボルトバスバーセットがあるが、通常運用ではどの発電機も接続されない。発電機だけがこれらのバーに接続するスイッチを持つ。任意の特定の発電機を独自のもの以外の変圧器ペアで運用することが望ましい場合、その発電機は独自の変圧器から切断され、550ボルトバスバーに接続される。前に言及した発電機により運用される変圧器を持つ発電機は、次にそのスイッチを550ボルトバスバーに接続され、前者の発電機の接触リングのブラシが上げられる。各発電機からその2つのスイッチへのリードが永久に結合されているため、上記のスイッチング操作は、550ボルトバーにスイッチを閉じた他の発電機で1つの発電機の変圧器を接続する。
単一の予備変圧器を定期使用中の多数の変圧器のいずれかに容易に置き換えたい場合、これらの後者の変圧器の各々への接続は、一次側と二次側の両方でダブルポールダブルスローナイフスイッチで提供され、これらのスイッチが定期使用中の任意の変圧器で一方に投げられると予備変圧器がその代わりに接続される。
ヒューズと自動回路ブレーカーはどちらも、特定の所定の条件下で人間の介入なしに接続をブレークすることを意図している。ヒューズでは、特定の電流により生成される熱が特殊導体の短い長さを溶融または蒸発させるのに十分である。回路ブレーカーでは、特定の電流がマグネットまたはモーターにスプリングの圧力を克服するのに十分な強さを与え、電流が通る接点片が引き離される。したがって、ヒューズと回路ブレーカーの主な目的は、特定の電流を超えると接続を開き、エネルギーの流れを止めることである。エネルギーの流れの方向が通常の逆になると、回路ブレーカーは接続をブレークするように配置できるが、ヒューズはできない。ヒューズは、設計された溶融電流を数秒間運ぶ必要があり、特定のケースの正確な秒数は、追加の熱を発生するヒューズチップの緩い接続の可能性と、その接続端子の熱伝導力により少し不確かになる。回路ブレーカーは、特定の電流が流れ始めた後1秒以上で接続を開くように設定できる。ヒューズで接続がブレークされると、溶融または蒸発した金属がアークが容易に従う経路を形成する。オイル下の接点を持つ回路ブレーカーは、アークの維持のためのヒューズよりはるかに小さな機会を提供する。これらのヒューズと回路ブレーカーの品質が、送電回路での一般的な利用可能性と比較優位性の基盤を形成する。
送電回路でのヒューズと回路ブレーカーの使用には多くの変動がある。しばしば従われる1つの見解は、ヒューズと回路ブレーカーを発電機と送電線から完全に省略するべきである。この慣行の賛成の議論は、鳥がラインに飛んで当たるか、棒や緩いワイヤが投げ込まれることによる一時的な短絡が、即座に動作するヒューズまたは回路ブレーカーを使用すると送電サービスのすべてまたは大部分を中断させるというものである。一方、発電機と送電回路からヒューズと回路ブレーカーを省略すると、持続的な短絡が除去されるまで一部の場合で全体の発電所をシャットダウンする必要があると言える。高電圧での電気送電は、そのような電圧で過負荷回路を開く能力のある磁気回路ブレーカーが開発される前に重要になった。したがって、初期の質問は、送電線とそれを供給する発電機にヒューズを提供するか、発電機から変電所の配電回路まで固く接続するかどうかだった。低電圧での慣行に合致してヒューズを使用する強い傾向があった。送電システムからの連続サービスの大きな重要性と、ヒューズが使用された一時的な短絡による多くの中断が、一部のケースでそれらの放棄につながった。このような例は、最初のナイアガラ発電所で見られる。1893年にこの発電所が装備されたとき、数千馬力の電流を運ぶ11,000または2,200ボルトの回路用の磁気回路ブレーカーは利用できず、ヒューズがこれらの圧力の両方のラインで使用された（A. I. E. E., vol. xviii., pp. 495, 497）。この場合に採用されたヒューズは、2,200と11,000ボルトのラインの両方で同じで、爆発型だった。各完全なヒューズは、1端でヒンジされ、閉じられたときに他端で固定された2つのリグナムバイテブロックで構成された。これらのブロックには3つの並行したヒューズ用の溝が切られ、各溝にアルミニウムのストリップが敷かれ、各端の適切な端子に接続された。アルミニウムストリップが置かれた溝のためのベントが提供され、ヒューズが吹き飛んだときの膨張ガスが逃げる。これらのヒューズブロックが新しく、リグナムバイテのブロックがタイトなジョイントを作ったとき、ヒューズが吹き飛んだときに生成された金属蒸気がベントから強制的に排出され、ラインの接続がこうしてブレークされた。しかし、時間とともに、収縮のためブロック間のジョイントがタイトでなくなると、ヒューズの膨張ガスが端子に達し、ヒューズが吹き飛んだ後もアークが続く。これらのアルミニウムヒューズは、1893年頃に採用され、1898年にナイアガラ発電所で放棄された。この後者の日付以降、No. 1発電所から地元消費者への2,200ボルトフィーダーは発電所にヒューズがなく、除去されたヒューズの代わりに回路ブレーカーが設置されていない。これらの地元ナイアガラフィーダーを通じて供給される大型製造工場では、フィーダーは以前ヒューズで終端されていたが、これらは後に回路ブレーカーに置き換えられた。1902年に完成した第2ナイアガラ発電所では、地元2,200ボルトフィーダーに回路ブレーカーが提供されるが、ヒューズはない。最初のナイアガラ発電所のジェネレーターとバスバーの間では、回路にヒューズも自動回路ブレーカーも提供されず、この慣行は現在まで続く。
最初のナイアガラ発電所の11,000ボルト送電線でのアルミニウムヒューズのほかに、これらのラインを供給する昇圧変圧器の2,200ボルト一次回路に鉛ヒューズがあった。これらのラインの他端のバッファロー変電所では、降圧変圧器との接続前に別のアルミニウムヒューズセットが挿入された。これらの変圧器の二次コイルと550ボルトコンバーターの間にはヒューズがなく、これらのコンバーターは直流回路ブレーカーを通じて鉄道バスバーに接続された。これらの鉛ヒューズは、アルミニウムのものよりはるかに多くの金属を含み、吹き飛んだときにスイッチを開いて電力が切断されるまで持続するアークを設定し、通常端子を破壊した。この送電システムでのヒューズのサイズを調整する努力がなされ、バッファローでの配電線での短絡の場合に変電所のヒューズだけが吹き飛び、ナイアガラのものをそのままにしておくようにした。この計画は効果的でなく、バッファローでの配電線での深刻な過負荷はナイアガラ発電所のジェネレーターバスバーまでヒューズを吹き飛ばす。
過負荷回路を開く確実性を達成し、過負荷が一時的なものかもしれない場合にその開口を遅らせ、過負荷が存在するラインにオープン回路を限定するために、自動回路ブレーカーがナイアガラとバッファローの送電システムで挙げたヒューズに置き換えられた。このシステムはまた、送電線で11,000から22,000ボルトに変更され、回路開口装置の要件がより厳しくなった。これらの回路ブレーカーは時間制限アタッチメントが取り付けられ、任意のブレーカーが電流が特定の量に達した後の任意の秒数で開くように設定できる。時間制限アタッチメント付きの回路ブレーカーは、電流が特定の数値に達した後設定された時間まで開かず、電流がどれだけ大きくてもそうである。さらに、過負荷が時間制限回路ブレーカーが設定された秒数前にラインから除去されると、回路ブレーカーは自動的にリセットされ、接続を開かない。回路ブレーカーが電流制限に達した時点から3秒後にラインを開くように設定されている場合、ヒューズを吹き飛ばすような一時的な過負荷でラインは開かれない。送電線での回路ブレーカーの時間制限リレーを過負荷がオンになってから3秒後に開口機構を作動するように設定し、次に配電線でのブレーカーを時間制限なしで動作させることで、配電線でのブレーカーの開口が送電線でのブレーカーが動作する前にシステムを過負荷から解放するようである。この結果は、送電システムの全体サービスがその配電線の1つに故障や短絡があるたびに中断されないように非常に望ましい。この計画はナイアガラとバッファローのシステムで採用された。ナイアガラ発電所の22,000ボルト線では時間リレーが3秒後にブレーカーを作動するように設定され、バッファローでのターミナルハウスでは、変圧器が22,000から11,000に降圧し、変電所への11,000ボルト線での回路ブレーカーはリレーが1秒で開くように設定された。最後に、いくつかの変電所からの配電線での回路ブレーカーは時間制限なしで動作するようにされた。これらの手段により、変電所からの配電回路の1つでの短絡が変電所の回路ブレーカーの即時動作のため、その変電所とターミナルハウス間の地下ケーブルの接続をブレークしないことが期待された。さらに、ターミナルハウスと変電所間の地下ケーブルの1つでの短絡がそのハウスで送電線から切断され、ナイアガラ発電所の回路ブレーカーを動作させないことが期待された。上記の時間リレー付き回路ブレーカーの配置は、ブレーカーが回路を十分に速くクリアせず、22,000と11,000ボルト線での時間制限アタッチメントがもはや使用されていないため、目的を果たさなかったと報告されている（A. I. E. E., vol. xviii., p. 500）。検討中の回路が11,000と22,000ボルトで数千馬力を運ぶため、回路ブレーカー付き時間制限装置はより緩やかな条件下で良い結果を与えるかもしれない。時間制限リレーは送電システムの信頼性のある運用に向けた重要な助けかもしれないが、過負荷がどれだけ大きくても設定された時間が経過するまで回路を開かないという欠点がある。短絡の場合、時間制限リレーはシステム全体での持続的な電圧低下を引き起こし、照明サービスに非常に望ましくなく、すべての同期装置がステップから落ちることを許す。一時的な電圧低下の場合、同期装置の回転部分の慣性はそれらをステップに保つ。これらの理由で、短絡または非常に大きな過負荷があるラインを即座に開く回路ブレーカーを有し、過負荷が極端でない場合に1秒以上の間隔後にのみラインを開くことが望ましい。第2ナイアガラ発電所での回路ブレーカーのこの動作は、各回路ブレーカーのトリッピングプランジャーにダッシュポットを付けることで得られた（A. I. E. E., vol. xviii., p. 543）。中程度の非常に一時的な過負荷では、このダッシュポットがトリッピングプランジャーの動作を遅らせるため、回路ブレーカーは開かない。短絡または大きな過負荷がラインに来ると、そのラインの回路ブレーカーのトリッピングプランジャーへの引きが非常に大きく、ダッシュポットの移動抵抗が即座に克服され、ラインがシステムの残りから切断される。
回路ブレーカーが接続するラインを開くように設計され、エネルギーの流れの方向が逆になるときにいつでも開くという事実が、一部の変電所で発電所に向かって変電所からのエネルギーの流れを防ぐために利用される。この手段により、変電所から発電所に接続するラインまたはケーブルの1つでの短絡へのエネルギーの流れが防がれる。
第XII章。
送電電力の調整。
電球での電圧調整は、電気的に送電されたエネルギーの配電における深刻な問題である。良好な調整では、110～120ボルト定格の電球での圧力を正常値から1ボルト以上上下に変動させてはならない。
電動モーターサービスは電圧の定常性に関してそれほど厳しくなく、モーター端子での圧力を時々10パーセント変動させても利用者の大きな反対はない。これらの3種類の装置への混合サービスは、送電エネルギーが使用される場合にしばしば提供されなければならず、電球での変動の制限が圧力調整を制御するものである。
送電システムは、変電所がなくしたがってすべての調整を発電所で行わなければならないものと、1つ以上の変電所があり電圧調整を送電線の両端で行えるものに大まかに分けられる。
[イラスト: FIG. 64.–モントリオール中央変電所の弧灯照明スイッチボード。]
一般的に、送電線と配電線の間にオペレーターが常駐する変電所があることが非常に望ましく、これは重要な電気供給の中心部で一般的に採用される計画であり、送電が短い場合でもそうである。このような例の1つは、マサチューセッツ州スプリングフィールドで見られ、チコピー川の2つの水力発電所からエネルギーが市内のビジネスセンターの変電所までそれぞれ約4.5マイルと6マイル送電される。この場合の二相電流の送電電圧は6,000で、変電所で一般的な光と電力の配電のために約2,400ボルトに下げられる。類似の例は、ニューハンプシャー州コンコードで見られ、メリマック川のセウォールズ・フォールズの水力発電所からビジネスセクションの変電所まで4.5マイル離れた場所に2,500ボルトと10,000ボルトの電気エネルギーが供給される。この変電所から電流は電球とモーターの供給のために約2,500ボルトで配電される。コンコードでは、送電電圧が配電のそれ以上に上げられる前に調整の目的で変電所が望ましいとされた。その後、負荷が増加したとき、導体のサイズを増加させないために送電回路の一部で10,000ボルトの電圧が採用された。
しかし、一部の事例では、電圧調整が行える変電所を介さずに送電線と配電線が結合されるが、この慣行は設置の初期コストとその後の運用コストの節約以外に推奨される点がほとんどない。これらの節約は、電球でかなり定常的な圧力を維持する場合、表面的なものであり、良好な調整を維持する場合のラインへの追加支出で少なくとも部分的に相殺される。この事実は、図66、67、68を参照して説明できる。それぞれの図でDは発電所を表し、A、B、Cは発電所からのエネルギーが配電される町や都市である。各図の場合、発電所と各都市または町間の距離が、フルロード時に電圧で2パーセント以下の損失を持つ配電線を発電所と各都市または町間に提供できないほどコストがかかる導体のためであると仮定される。このように、配電の中心部が各町に1つ以上位置しなければならず、送電線はポール上または変電所でこれらの中心部で配電線に結合しなければならない。いくつかの町が発電所から同じ一般方向にあり、同じ送電線で到達できる場合、図66のA、B、Cのように、各町に変電所があればこの1本のラインで十分である。変電所が使用されない場合、後述する理由で発電所と各町間に別々の送電回路を提供しなければならない。変化する負荷下での送電線の電圧変動のパーセンテージはしばしば5～10であり、電球での許容変動をはるかに超えている。良好な照明サービスを与えるために、送電線が配電回路に結合する配電の中心部は、そこに変電所がなければ非常にほぼ定常的な電圧で維持されなければならない。発電所での調整は、変化する負荷下でのラインでの圧力損失を補償し、それ上の任意の1点でほぼ定常的な電圧を維持するようにする。しかし、発電所での調整計画は、各点に変化する負荷がある場合、同じ送電線上の複数の点で定常的な電圧を維持できない。結果として、供給されるいくつかの町が図67のように発電所から同じ一般方向にある場合でも、各町に変電所が提供されない場合、各町に別々の送電線を持つべきである。図68で示される場合のように、供給される町が発電所から非常に異なる方向にある場合、そこに変電所があるか配電の中心部だけがあるかに関わらず、各々に別々の送電線があるべきである。
図68の場合でも、他の場合と同じように、変電所をこれらのラインが送電回路に結合する点に使用することで、電球端子での圧力変動を標準からいずれの方向にも1ボルト以内に保つ場合、配電線のコストで大きな節約が達成される。負荷の変動により、配電線での圧力損失はゼロから最大量の範囲になり、接続された電球はこの総損失で表される電圧変化にさらされるが、配電線が変電所から開始されそこで配電線での損失を調整で補償できる場合を除く。良好なサービスを与えるために、送電線に結合する変電所がない場合、配電線はフルロード時に1パーセントの損失に制限されるべきである。変電所での調整の機会があれば、配電線での最大損失を容易に倍にでき、変電所がない場合に必要な重量の半分に減らす。
送電線と配電線を変電所で接続するもう一つの利点は、混合で変化する負荷を運ぶ送電線の端から数マイル離れた発電所で絶対的に定常的な圧力を維持するのが実質的に不可能であるという事実にある。結果として、変電所での調整の介入なしでは、長距離送電線で良好な照明サービスを与えるのはほとんど不可能である。さらに、変電所がない場合、発電所での調整の労力がはるかに増加する。なぜなら、より頻繁で正確でなければならないからである。送電システムからの変電所の不在は、したがって、より多くの送電回路、より重い配電回路、発電所でのより多くの労力、および照明サービスの低い品質を意味する。
送電システムでの負荷の大部分を定置モーターが形成し、良好な照明サービスが小さな重要性である場合、一部の配電中心部で変電所を省略するのが良いかもしれない。これは、送電線沿いの主な電力消費者が鉱山や鉱石精錬工場であるロッキー山脈地域で時々存在する条件である。このような例は、ユタ州のテリュライド・パワー・トランスミッション会社のシステムに存在し、プロボ川のプロボキャニオンからユタ湖を完全に回ってマーサー、ユーレカ、プロボを通り、プロボキャニオンの発電所に戻る105マイルの連続回路である。
このラインの送電電圧は40,000で、配電点がある間隔で電圧はポール上の変圧器により約5,000に下げられ、一部のケースで変電所での調整の助けなしである。このように送電された電力は主に鉱山と製錬所でのモーター運用に使用されるが、一部の商業照明にも使用される。
送電線上の電圧の発電所での調整は、配電中心部に変電所があるかないかに関わらず同じ方法で達成できる。このような調整では、目的は送電線上の特定の点、通常配電回路が接続されるその端で特定の電圧を維持することである。配電の点が同じ送電線上に複数存在する場合、発電所での調整はこれらの点の1つだけで望まれる圧力を維持するように設計され、他の点での調整は地元手段で達成される。調整の1つの方法は、各発電機の過複巻きで、その端子での電圧が負荷が増加するにつれて特定のレートで上昇するようにする。発電機と送電線が、その発電機だけが出力する場合にラインでの圧力損失にちょうど対応する発電機端子での電圧上昇のように設計されている場合、他の場所からエネルギーがラインから引き出されない場合、すべての負荷でその点での圧力をほぼ定常的に保てる。発電機の複巻きによる調整を効果的にするために必要なこれらのいくつかの条件は、実践でほとんど満たされない。変化する数の発電機が同じ送電線で動作する必要がある場合、または変化する負荷がライン沿いの異なる点で供給される必要がある場合、発電機の複巻きは電力ステーションから離れたライン上の任意の点で定常的な電圧を維持するのに十分ではない。これらの理由で、発電機の複巻きは送電線上の電圧調整に関して小さな重要性であり、大型交流発電機では一般的に試みられない。例はナイアガラの滝の3,750キロワット発電機で、単一のマグネット巻線が励磁機からの電流のみを受ける。
送電システムの発電所での電圧調整のはるかに効果的で一般的に採用された方法は、各発電機のマグネットコイルでの電流を変化させて望まれるようにその電圧を上げ下げするアテンダントの動作に基づく。調整は送電線上の特定の1点のためでなければならず、発電所のアテンダントはその点での電圧を、その点から発電所のボルトメーターに戻る圧力ワイヤーのペアにより、ライン上の電流に応じてその点での電圧を示すメーターにより、または定常的な電圧が維持される点の変電所との電話接続により知るかもしれない。圧力ワイヤーは発電所でライン上の配電点での電圧を示す信頼できる手段であるが、長距離送電でのこれらのワイヤーの設置はかなりの費用であり、そのような場合に時々使用されるだけである。誘導効果と可変力率のため、交流を運ぶラインで示されるアンペアは発電所と遠い点間の電圧低下の確実なガイドからほど遠い。長距離送電では、発電所と変電所の間の電話通信が、変電所で定常的な電圧を維持するための必要な変更を発電所のアテンダントの注意に引く最も一般的な方法である。現在、広範な送電システムは、発電所とすべての変電所の間、または単一の変電所といくつかの供給する発電所間の電話接続なしで運用されるものは少ない。したがって、ハドソン川のスピア・フォールズ発電所は、スケネクタディ、アルバニー、トロイ、および半ダースの小さな場所の変電所と電話で接続される。一方、4つの水力発電所からのエネルギーを受けるニューハンプシャー州マンチェスターの単一変電所は、各々に直接電話線を持つ。
同じ発電所からの2つ以上の送電線が同じバスバーセットから運用される場合、これらのバスバーでの圧力変化で各ラインの遠い点での電圧を定常的に保てない。1つの発電機だけが各送電線に接続され、そのラインの損失のために調整されるかもしれないが、これは複数運用の利点を失う。もう一つの計画は、各送電線に発電所から出る前にレギュレーターを接続することである。この目的のレギュレーターの1つのタイプは、二次コイルが複数のセクションに分けられ、これらのセクションの端が一連の接触セグメントに引き出された変圧器で構成される。この変圧器の一次コイルはバスバーから電流を供給され、二次コイルは調整されるラインに直列に接続され、二次電圧がメイン回路のそれに加算または減算される。二次コイルのセクションに接続されたセグメント上の可動接触アームは、回路内のこれらのセクションの数を変化させて二次電圧を変えることを可能にする。調整目的で使用されるもう一つの変圧器では、一次コイルは以前のようにバスバーに接続され、可動二次コイルは調整されるラインに直列に置かれる。この場合の調整は、二次を一次コイルの位置に対して変化させて二次電圧を上げ下げすることで達成される。これらのレギュレーターの両方は手調整を必要とし、アテンダントは電話、圧力ワイヤー、または上で言及した補償ボルトメーターを使用して配電中心部での電圧を決定する。このいわゆる「補償器」により示される電圧は発電所でのそれから調整されるラインの電流で変化する特定の量を引いたものである。補償器のボルトメーターコイルは、互いに反対に動作する2つの変圧器の二次コイルと直列に接続される。1つの変圧器はその二次コイルが完全な発電所電圧を示すように配置され、もう1つの二次コイルは調整されるラインの全電流を運ぶ一次コイルにより作動する。一連の接触により、この最後に挙げたコイルの効果を発電所と電圧が定常的に保たれる送電線上の点間のフルロードで失われるボルト数に対応させるように変えられる。送電線に誘導低下がない場合、またはこの低下が既知で定常的な量の場合、補償器は調整が設計された点での実際の電圧を与えるかもしれない。
自動レギュレーターは、一部の発電所で発電端子または単一発電機により運用されるラインの遠い配電点で定常的な電圧を維持するために使用される。これらのレギュレーターは調整される発電機のマグネット巻線と直列のレオスタットを操作し、これらの巻線での励磁電流を変えて発電機電圧を上げ下げする。これらのレギュレーターは、可変力率を持つ長距離送電線の配電端で定常的な電圧を維持するよりも発電所で定常的な電圧を維持するのにはるかに効果的である。発電機の複巻き、発電機のマグネットコイルでの励磁電流の自動レギュレーター、および送電回路での調整変圧器にもかかわらず、長距離送電システムの発電所で最も一般的に使用されるのは発電機のマグネットコイルと直列のレオスタットの手調整である。送電線の端の変電所での自動レギュレーターが現在導入されており、非常に望ましいかもしれない。
送電システムでの調整のより厳密で最終的な作業は通常変電所で行われる。変電所の降圧変圧器の高圧コイルにほぼ定常的な電圧が供給された後、これらの変圧器、モーター発電機またはコンバーター、配電線、およびサービス変圧器での変化する損失を補償する必要がある。一般的に、3～4種類の負荷を提供する必要があり、つまり4,000～10,000ボルトの直列回路での街路照明用の弧灯または電球。商業照明用の2,000～2,500ボルトの定圧回路での弧灯と電球、約500ボルトの定圧回路での定置直流モーター、およびそのサイズと位置に応じて2,500または500ボルトで供給される交流モーターである。これらの負荷に、500ボルト直流の路面電車モーターの負荷を追加できる。定置モーターと路面電車モーターの両方、特に後者は、負荷の変化により接続された配電線上で大きな急速な電圧変動を引き起こす。電球とモーターの負荷が組み合わせられた場合の調整の問題は、したがってモーターでほぼ定常的な電圧を維持することではなく、モーターが設定する電圧変動から電球を保護することである。
約500ボルト直流を使用する路面電車モーターの場合、変電所設備には降圧変圧器とコンバーター、または変圧器の有無にかかわらずモーター発電機が含まれる。照明と路面鉄道サービスが同じ送電システムから引き出される場合、これらの2種類のサービスを完全に分離し、路面電車作業に独立した発電機と送電線、および独立した変圧器とコンバーターまたはモーター発電機を捧げる慣行がある。これはニューハンプシャー州マンチェスターを中心とする送電システムで行われ、各4つの水力発電所のそれぞれ、および変電所はスイッチボードにダブルセットのバスバーを持ち、各水力発電所から変電所まで2つの送電回路がある。運用では、発電機、バスバー、送電回路、および変圧器の1セットが路面電車モーター用のコンバーターまたはモーター発電機を供給し、もう1セットの発電機、バスバー、送電回路、および変圧器がこのシステムの照明と定置モーターに捧げられる。路面電車モーターが商業電球を供給する同じ発電機と送電線からエネルギーを引き出す場合、照明回路を変動する路面電車負荷により設定される電圧変動から保護する手段を採用しなければならない。この目的を達成する1つの方法は、変電所での同期モーターにより駆動される発電機で照明回路を運用することである。これらの発電機はもちろん、直流または交流タイプのいずれかで、任意の望まれる電圧である。これらの発電機を駆動する同期モーターは、降圧変圧器の有無にかかわらず送電線から電流を取る。この同期モーターの使用により、照明回路は送電線上のそれに対応する電圧変動を逃れ、同期モーターは接続された回路の電圧に関係なく定常的な速度を維持するからである。この計画は、路面電車システムと照明サービスが同じナイアガラの滝発電所からのエネルギーにより運用されるバッファローで採用された。バッファローの変電所の1つでは、2,200ボルト二相交流発電機と照明サービス用の150ボルト連続電流発電機の両方が、変圧器を通じてナイアガラ送電線に接続された同期モーターにより駆動される。バッファローの他の変電所では、路面電車モーター用の500ボルト連続電流が同じ送電システムから変圧器とコンバーターを通じて得られる。路面鉄道と商業照明サービスが同じ送電線から引き出される場合の電圧調整の問題のもう一つの解決策は、変電所での500ボルト連続電流発電機を送電線から直接または変圧器を通じて供給される同期モーターにより運用することである。この計画は、25マイルの半径内の多数の都市と町に広がるボストン・エディソン会社の送電システムで採用された。このシステムのナティックとウォーバンの変電所では、路面鉄道と照明負荷があり、三相送電線に直接接続された同期モーターにより駆動される500ボルト連続電流発電機を含む。このような場合、同期モーターはラインの電圧に関係なく速度を維持し、変動する負荷による変動損失にもかかわらずその電圧を安定させる傾向がある。
定置モーターは、一般的に電球を供給する同じ配電線から運用されるべきではなく、特に1馬力以上ではそうであり、これはより良い慣行である。約2,400ボルトの二相または三相交流、または500ボルト交流または直流のモーター回路は、最初のケースでは変圧器だけで、2番目では変圧器とコンバーターで変電所で供給されるかもしれない。いずれの場合も、モーター回路での定圧の調整のための特別な規定は通常必要ない。
一部の送電システムでは、定置モーター用の配電回路は照明負荷を運ぶ同じ送電線から供給されず、他の作業をしないラインからエネルギーを引き出す。この慣行は確かに望ましく、照明回路を変動するモーター負荷によるライン損失によるすべての電圧変動から解放するからである。このような例は、マサチューセッツ州スプリングフィールドとメイン州ポートランドおよびルイストンで見られ、それぞれで定置モーターの負荷は独立した送電線および配電線で運用される。
送電システムでの街路照明用の直列弧灯と電球は、変電所での直流弧ダイナモ、または定電流変圧器または自動レギュレーター付き定圧変圧器により一般的に運用される。弧ダイナモは、送電線から直接または変圧器を通じて供給される誘導または同期モーターにより駆動される。弧ダイナモは定電流のために自動調整するため、それ以上の調整は必要ない。直列弧灯と電球が交流で供給される場合、定電流変圧器または定電流レギュレーターが使用される。このタイプの変圧器とレギュレーターはどちらも、電球と直列のこのコイルでの電流がほぼ定常的に保たれるように変圧器コア上の二次コイルの移動に依存する調整効果を持つ。このような定電流変圧器とレギュレーターは通常、通常の定圧変圧器を通じて送電線から供給され、使用目的のために十分に定常的な電流を保つ。
調整の主な問題は、変電所での変圧器またはモーター発電機または両方を通じて送電線から供給される電球照明用の250または2,200ボルト定圧回路に戻る。この調整のための最も信頼できる機器の1つは、マイナー配電中心部からの圧力ワイヤーで接続されたボルトメーターにより導かれ、上記の調整変圧器または他の調整装置を調整する熟練したアテンダントの手である。
第XIII章。
守り線と避雷器。
雷はそのさまざまな形態で送電システムがさらされる最大の危険であり、最も脆弱な点、つまり絶縁を攻撃する。雷の小さな危険は、線路絶縁体を貫通し、ポールを破壊したり火災を引き起こしたりすることである。より大きな危険は、雷放電が送電線に沿って発電所や変電所に通り、そこでの発電機、モーター、または変圧器の絶縁を破壊することである。雷による損傷は2つの方法のいずれかで防ぐことができ、つまり送電線を完全にシールドして雷の充電や放電のどの形態も到達できないようにするか、または線路導体から地への非常に簡単な経路を提供して、これらの導体に到達した雷が他の経路ではなく意図された経路をたどるようにすることである。実際には、シールド効果は接地された守り線により求められ、放電のための簡単な経路は避雷器の形態を取るが、これらの装置のいずれも完全に効果的ではない。
空中送電線は直接の雷放電、近くの雷放電による電磁充電、および電気的に充電された空気体との接触または誘導による静電充電にさらされる。明らかに、オーバーヘッド線をこれらのすべての影響から解放するシールドを提供するのは非現実的である。雷放電の静電および電磁誘導の両方をワイヤから遮断し、可能な直接の雷放電から解放するためには、少なくとも導電性材料の厚い体でワイヤを完全に包む必要があるようである。この条件は電気回路が地表の下にある場合に近似されるが、裸のオーバーヘッドワイヤで維持するのは難しい。しかし、長距離空中回路に近く平行に接地された守り線は、周囲の空気中の高い静電圧を放電する傾向があり、直接の雷放電が高絶縁回路を地への経路として選択する確率を大幅に減少させるはずである。避雷器は誘導および直接の雷放電を損傷なしに地へ導くことができ、したがって避雷器と守り線は同じシステムで論理的に使用できる。
守り線の一般的な望ましさに関する意見の大きな違いは、それらの疑いようのない欠点と、それらが提供する保護の度合いが不確かであるため存在する。しかし、守り線の欠点は目的のために使用されるワイヤの種類とその設置方法に大きく依存するようである。亜鉛メッキ鉄線で数インチごとに棘があるものが、送電線沿いの守り線として他の種類より一般的に使用されてきた。時々、このような単一の守り線が送電回路を運ぶポールラインに走り、この単一ワイヤのより一般的な位置はポールの頂上である。他の場合、同じポールラインに2つの守り線が使用され、これらのワイヤの1つが最高のクロスアームの各端に位置し、電力ワイヤの外側である。これらの守り線に加えて、一部のシステムではポールの頂上に3番目のワイヤが追加された。これらの守り線は時々、ワイヤの上に鉄製ステープルを打ち込んで木材に固定され、他の場合では守り線が小さなガラス絶縁体に取り付けられる。守り線の接地接続に関する慣行にも大きな変動があり、一部のシステムではすべてのポールで接続され、他の一部でははるかに少ない頻度である。
守り線の実際の適用でのこれらのすべての違いで、それらの有用性に関する意見が一致しないのは不思議ではない。守り線の実際の価値に関する意見の違いのさらなる理由は、一部の地域では雷の危険が避雷器により最も効果的に提供される静電と誘導の種類が大きい一方、他の地域では直接の雷打撃が送電システムへの最大の脅威であるという事実にある。現在、雷の一般的な見出しの下で知られるエネルギーのさまざまな現れを支配する法則の知識は不完全であり、送電線沿いの守り線の使用のための最も信頼できる規則は実際の経験から導かれるものである。
守り線が雷に対する保護として効果的でなかったケースは、コロラド州テリュライドのサン・ミゲル・コンソリデーテッド・ゴールド・マイニング会社のものあり、その3つの送電線は水力発電所から3～10マイル離れたポイントまで走り、A. I. E. E., vol. xi., p. 337以降で記述されている。この送電は3,000ボルト、単相交流で運用され、ポールラインは海抜8,800～12,000フィートの山を越え、裸の尾根と磁性材料の地域を通過した。ライン沿いの良好な接地接続を確保するのは実質的に不可能なほど乾燥し岩が多い地域であると述べられ、接地ワイヤがどのように接地されたか、またはその接地接続の数については言及されていない。さらに、各ポールラインに単一の守り線以上があったようではない。これらの状況下で、発電所で使用中の特定の種類の避雷器で、雷は接続された装置への損傷の頻繁な原因だった。一部の機械の絶縁は蜂の巣状の穿孔で満ち、継続的な漏れ、接地、短絡を引き起こし、損傷が直接の雷打撃ではなく静電と誘導放電によるものであることを示しているようである。このシステムで使用中の避雷器のタイプが変更され、新しい避雷器に徹底した接地接続が提供された後、雷による損傷は終了した。しかし、守り線が除去されたとは述べられていない。このケースは守り線が保護を与えなかった1つとして言及されたが、上記の事実からわかるように、そのような声明はほとんど公正ではない。まず、各ポールラインの単一の守り線がどこかで効果的に接地されていたようではない。再び、装置への損傷の大部分は自然に守り線で防げなかった静電と誘導放電の結果であるようである。最後に、新しい避雷器が設置された後で守り線が除去されなかったため、このワイヤが破壊的だったであろう送電線上のいくつかの直接放電を防いだ可能性がある。
上で引用したA. I. E. E.の巻の381ページでは、スタテン島の特定の電気発電所に入った雷放電の頻度と激しさが、接続された回路に守り線が設置された後で守り線が設置される前よりはるかに少ないと述べられている。
同じ巻の385ページでは、この国とヨーロッパの多数の発電所の統計の調査が、電力回路の上にオーバーヘッド守り線が設置されたすべてのケースで、またはこれらの回路が全距離で電信線の下を走った場合、雷がそう保護された回路にトラブルを与えなかったことを示したと述べられている。残念ながら、この声明をした話者は言及された興味深い統計をどこで相談できるかを教えてくれなかった。
ナイアガラの滝からバッファローへの電力送電のための最初のポールラインでは、2つの守り線がそこに位置するガードアイアンで頂上クロスアームの反対端に張られた。このクロスアームはまた2つの電力回路の一部を運び、これらの回路の最近のワイヤはガードアイアンから約13インチ離れていた。これらの守り線は棘付きで、すべての5番目のポールで接地され、A. I. E. E., vol. xviii., 514以降の記述によると。接地接続の性質は述べられていない。送電線上の接地と短絡の多くのトラブルは、氷のコーティングの重量と風圧により破断したときにこれらの守り線により引き起こされた。これらのトラブルの結果として、守り線は1898年に除去された。その日付以降、ナイアガラの滝とバッファロー間の送電線は守り線なしだったようである。上で引用した巻の537ページによると、1901年までナイアガラ発電所の運用の中断の20パーセントが雷により引き起こされ、この記録は守り線が除去された1898年後の期間に適用されるようである。また、単一の嵐中にラインが5回打たれ、5つのポールがクロスアームとともに破壊されたと述べられている。これらの直接の雷打撃がライン沿いに守り線がないときに発生した場合、事実のようであるが、良好に接地されたそのようなワイヤが損傷なしに放電を運んだかどうかは公正な質問である。カリフォルニアのシエラネバダ山脈のエレクトラの10,000馬力発電所とサンフランシスコ間の154マイルの距離で守り線が使用されていないようである。もう一つの重要な送電線で守り線なしで運用されているのは、ミズーリ川のカニオン・フェリーの10,000馬力発電所とモンタナ州ビュートの65マイル離れた場所である。ウィスコンシン州アップル川の発電所とミネソタ州セントポールの変電所の約27マイルの長い送電線では、雷保護のための守り線がない。さらに東では、北のスピア・フォールズとグレンズフォールズから南のアルバニーまでの直線距離40マイルの大きな新しい送電システムでは、守り線が使用されていない。その途中で上で言及した送電システムはサラトガ、スケネクタディ、メカニクスビル、トロイ、および多数の小さな場所に触れ、数百マイルのオーバーヘッドワイヤのネットワークを形成する。このような例を増やすことができるが、すでに挙げたものは守り線なしで長距離送電システムを運用するのが完全に実用的であることを示すのに十分である。
守り線のある送電システムとないもののこれらの例で、特定のラインでのその使用の適切さは、既存の条件下でその想定される利点に対してその既知の欠点を比較検討して決定されるべきである。手元にあるすべての証拠から、守り線が送電システムに保護を提供する場合、そのようなワイヤは頻繁に効果的に接地されなければならないことがかなり確実であるようである。一方で、一部の事例で守り線が送電システムを保護しなかったのは、多くの効果的な接地接続の欠如のためかもしれない。例えば、上で言及したコロラド州テリュライドの場合がそうかもしれない。一方、モントリオールとシャンブリーのラインの守り線により提供された明らかに高い保護の度合いは、これらのワイヤがすべてのポールではんだ付けされたジョイントを通じてその基部に巻かれた接地ワイヤに接続されたためであると信じるのが合理的である。守り線がライン上の電力ワイヤに近いほど、破断または他の方法で守り線が電力ワイヤに接触する危険が大きい。守り線により与えられる保護は、電力ワイヤとの距離が減少するにつれてそれほど急速に増加しない可能性が高い。ライン上の1つの守り線が望ましいと思われる場合でも、2つまたは3つの守り線を使用すべきであるとは限らず、1つのワイヤにより与えられる保護を超える2つまたは3つの守り線の追加保護は微々たるものであり、設置コストと電力回路とのクロスの危険は守り線の数とともに直接増加する。一時期、守り線に棘を持つことが非常に望ましいと思われたが、現在より良い意見は、棘がワイヤを弱くし、破断を引き起こし、価値よりトラブルを引き起こす傾向があるようである。棘が位置する点はワイヤの他の部分より速く錆びるようである。一部のケースでは、破断によりトラブルを与えた棘付き守り線が取り下げられ、代わりに滑らかなワイヤが設置された。守り線が少なくともすべての他のポールごとに良好に接地されている場合、そのサイズは機械的強度と耐久性の考慮で大きく決定されるかもしれない。通常のスパンでは、No. 4 B. & S. G.亜鉛メッキ軟鉄線が守り目的に適切であるようである。鉄は銅、アルミニウム、または青銅より低いコストで必要な機械的強度と十分な導電性を与え、扱いやすく鋼より破断しにくいため、守り線に最も望ましい材料であるようである。以前は守り線をポールの頂上またはクロスアームの端にステープルで固定する慣行だったが、ワイヤがステープルで錆びて破断しやすいことがわかり、良いクラスの作業ではそのようなワイヤが小さな絶縁体に取り付けられるようになった。この慣行は、上で述べたようにモントリオールとシャンブリーのラインで採用された。すべてのケースで守り線とその各接地ワイヤ間の接続ははんだ付けされ、接地ワイヤは大きな表面を湿った土と接触させるべきであり、接地プレートとはんだ付けされたジョイントを通じて、ポールの尻に複数のターンで巻くか、他の手段で。
一部の電信エンジニアは、各ポールの頂上まで走る別々の接地ワイヤの使用が、通常の守り線に対する雷に対する保護としてかなり効果的であると考えている。
この慣行は「Culley’s Handbook of Practical Telegraphy」の26ページで言及されている。このような接地ワイヤは通常の守り線のほとんどの欠点から自由である。交流ライン沿いの守り線で頻繁に接地されたものは、その接地接続のため変圧器の二次回路として動作し、電力回路からエネルギーを吸収しなければならないことが確実であるようである。しかし、通常の場合この損失がどれだけ大きいかを示す実験データはまだ利用できない。作業導体と守り線間の静電効果がいくらかあることはかなり明らかであるが、再びそのような効果の量に関するデータが欠如している。ほとんどの送電線では、守り線が使用される場合、そのようなワイヤは最高の電力導体のいずれか上またはレベルに置かれる。三相回路の1つの導体がポールの頂上のピンセットに取り付けられ、残りの2つの導体がその下の2ピンクロスアームにある場合、非常に高い電圧の送電線で最も頻繁に採用される方法で、守り線を電力回路の上またはレベルに置くのは明らかに非現実的である。最後の送電では、守り線を完全に省略し、雷保護のために避雷器に頼る強い傾向がある。
避雷器は誤って命名されており、その真の目的は雷を逮捕または停止することではなく、地への非常に簡単な経路を提供して線路またはシステムに接続された機械の絶縁を通って強制的に通り抜けないようにすることである。避雷器の要件は度合いで対立しており、提供する経路の抵抗は大気電気の放電を地へ許すほど低く、送電線間の電流の流れを防ぐほど高くなければならない。つまり、避雷器が各導体と地間に接続されているにもかかわらず線路導体の絶縁を高い基準で維持しなければならないが、避雷器への抵抗は雷が他の点で線路または機械の絶縁を貫通しないように高くないことである。避雷器を通る雷放電が発生するとき、避雷器が電流の流れに提供する抵抗は雷が避雷器の空気ギャップをジャンプして設定したアークによりその瞬間大幅に減少する。送電回路の各ワイヤは同様に避雷器に接続されなければならず、これらの避雷器でのアークを通った地への低抵抗経路は接続された発電機を短絡するだろうが、この結果を防ぐ何らかの構造が採用されない限りそうである。一部の初期タイプの避雷器では、磁気または機械装置が雷放電により形成されたアークをブレークするために使用された。
送電線での交流で現在一般的に使用される避雷器のタイプは、磁器ブロックに取り付けられた短い並行の真鍮シリンダーの列で、それらの並行側面間の空気ギャップが1/32～1/16インチである。この列の一端のシリンダーは線路ワイヤに接続され、他端のシリンダーは地に接続され、2,000または2,500ボルト回路が保護される場合である。より高い電圧では、これらの単一避雷器の数が互いに直列に接続され、シリーズの自由端がそれぞれ線路ワイヤと地に接続される。したがって、10,000ボルトラインでは、4つまたはより良い5つの単一避雷器が直列に接続されて各線路導体の複合避雷器を形成する。この慣行の1つの大製造会社の変種は、大理石ボードに単一避雷器のグループを直列に取り付け、調整可能な空気ギャップと直列にすることである。このギャップはライン上の大きな電圧増加がスパーク放電により緩和されるように調整されることを意図している。真鍮シリンダーと空気ギャップのみで構成された避雷器は、雷放電によりすべてのシリンダー間で開始されたアークが各線路ワイヤと地間の抵抗を大幅に低下させるため、発電設備が短絡され、アークが大気電気の逃げで停止しないかもしれないという欠点を持つ。この困難を避けるために、避雷器の真鍮シリンダーと空気ギャップと直列にカーボランダムのロッドのようなかなり大きなオーム抵抗の導体を接続する慣行である。この抵抗は雷放電に深刻な障害を提供しないように非誘導性でなければならず、その抵抗は避雷器で雷放電により開始されたアークを維持するのに十分大きな発電機からの電流の流れを防ぐのに十分大きくなければならない。特定の電圧の避雷器で使用されるこの抵抗の量に関する正確なデータは欠如している。粗い近似規則として、一部のケースで良好な結果が得られるのは避雷器のグループと直列のオーム抵抗が線路電圧の数値の1パーセントを表すことである。つまり、10,000ボルトラインでは各ワイヤの避雷器グループが例えば100オームの抵抗を通じて地に接続され、発電機電流が避雷器を通る雷放電のアークに続く場合、1つの線路ワイヤからもう1つへ流れるために固定抵抗200オームを通らなければならない。この規則は一部のケースで良好に動作する抵抗の例として与えられ、一般的な適用を持つべきではない。避雷器と直列に接続された抵抗が高ければ、雷が絶縁が低い線路または機械の他の点で地へ行く傾向が少し大きい。避雷器と地を接続するために小さな抵抗だけが使用される場合、雷放電により形成されたアークがダイナモ電流により追従され維持される危険がある。1つの種類の避雷器では、真鍮シリンダーの列が上で言及した目的のための抵抗を形成する炭素ロッドの端に接続される。これらの炭素ロッドの2つが2,000または2,500ボルトの各避雷器に含まれ、各ロッドの抵抗は望まれるように数十から数百オームのどこかである。この形式の避雷器は外部抵抗の介入なしに線路から地に直接接続され、炭素ロッドは望ましいすべての抵抗を容易に与えられるからである。
避雷器の設置での最も重要な特徴の1つはその地への接続である。この接続が悪い場合、雷からの保護に関して避雷器を無用にするかもしれない。建物の壁や乾燥した土に長い鉄スパイクを打ち込んで形成された接地接続は雷からの保護に関して小さな価値であると言わなければならない。避雷器のための良好な接地接続は銅または亜鉛メッキ鉄板で形成され、1/16インチを超える厚さでなくてもよく、例えば10～20平方フィートの面積を持つべきである。このプレートは円筒の形態に便利に作られ、数本の半インチの穴を持ち、1本または複数の銅ワイヤがB. & S.ゲージのNo. 4またはNo. 2ワイヤの総面積に等しいものが通され、次にはんだ付けされる。このプレートまたは円筒は周囲の土が常に湿っていることを確実にするのに十分深く地に置かれ、接続された銅ワイヤは避雷器まで延びる。この円筒をコークスまたは木炭の層で囲むのは良い計画である。
避雷器のための良好な地接続は大きな水道管を通じて作られるかもしれないが、これをするためには避雷器からのワイヤをパイプに巻くだけでは十分ではない。このようなパイプとの適切な接触は、パイプに1つまたは2つの大きなボルトをタップし、次に避雷器からのワイヤをこれらのボルトの頭に掘られた穴にはんだ付けすることで作られる。川のベッドに置かれた金属プレートは良好な接地を作る。
一部の古いタイプの避雷器では線路ワイヤと地間のヒューズを挿入する慣行だったが、この慣行は避雷器が設置された目的を敗北させる。なぜなら、ヒューズは最初の雷放電で溶融し、避雷器を切断し回路を無防備に残すからである。交流回路のための現代の避雷器は金属シリンダーと短い空気ギャップの一連で構成され、線路と地間のヒューズなしに固く接続される。
[イラスト: FIG. 73.–ネバーシンク川の発電所へのラインの入り口。]
避雷器をほとんど発電所に位置させるのが慣行だったが、これは経験と線路が大気電気のコレクターとして動作する事実の考慮により修正され、その逃げのための経路がライン沿いに提供されるべきである。考慮は、発電所から数マイルのラインに到達した雷が地への簡単な経路を見つける前に大きな損傷をするかもしれない発電所に移動することを強制される良い理由を明らかにしない。したがって、現在の慣行は、ライン沿いの間隔で各ワイヤに避雷器を接続し、発電所と変電所でもそうすることである。ポールライン沿いの避雷器の倍増は、適切な保護と一致する限り避けられるべきである。なぜなら、避雷器のすべてのバンクが頻繁に検査され、清潔に保たれ良好な状態に保たれない限り、永久的な接地または短絡を発展させるかもしれないからである。
ライン沿いに接続されたものに加えて避雷器は発電所と変電所の内部またはすぐ外に位置するべきである。建物が木製の場合、避雷器は耐候ケースの外側に置くのが良いが、レンガまたは石の建物では避雷器は内部壁の近くに適切に位置し、他のすべての発電所設備からよく離れる。送電線は発電所または変電所に入るとき、避雷器にすぐに通り、運用機械のいずれかに接続する前にそうする。
避雷器により提供される保護の度合いを増加させるためにチョークコイルがそれらと頻繁に使用される。この目的のチョークコイルは通常、20～30以上のターンを含む銅ワイヤまたはストリップの平らなコイルで、端子付きの木製フレームに取り付けられる。このコイルは避雷器のタップが作られる点と発電所装置間の線路ワイヤと直列に接続される。雷放電は高度に振動的な性質であることが知られ、その周波数は送電システムで開発される交流のそれよりはるかに大きい。これらのチョークコイルを通る雷放電の自己誘導は大きく、結果として放電がチョークコイルを通って発電所装置に入るのを防ぎ、避雷器を通って地へ放電を強制する傾向がある。送電で使用される交流は比較的低い周波数であるためチョークコイルでの自己誘導は小さい。避雷器のグループを同じラインワイヤに連続して接続することで雷に対する保護が増加する。これは、いずれの避雷器も地へのいくつかの経路を与え、最初のグループを通る放電は2番目または3番目のグループで地へ行く可能性が高い。一部のケースでは、各2つの避雷器グループ間と発電所装置とそれに最近の避雷器グループ間にチョークコイルがラインワイヤに接続される。
雷嵐が非常に頻繁で深刻なコロラド州テリュライドの電気送電発電所は、記述されたタイプの避雷器とチョークコイルで装備され、結果が注意深く記録された（vol. xi., A. I. E. E., p. 346）。避雷器とチョークコイルのための小さな家がこのシステムの発電所の近くに建てられ、それらは木製フレームに取り付けられた。各線路ワイヤに4つのチョークコイルが直列に接続され、これらのチョークコイル間に3つの避雷器が接続され、4番目の避雷器はいずれのチョークコイルにも到達する前にラインに接続された。これらの避雷器は、どのワイヤのどの避雷器バンクが地への雷放電を最も多く通したかを調べるために、雷シーズン全体で監視された。ラインが避雷器のシリーズに来る側から始めて、最初の避雷器バンクが雷放電のわずかしか通らなかったことがわかり、2番目のバンクが他のどのバンクより多くの放電を通り、3番目のバンクがかなり多くの放電を通り、4番目のバンクは雷放電の兆候をほとんど示さなかった。これらの観察からの明らかな結論は、発電所でラインに連続して接続された3つまたは4つの避雷器バンクとチョークコイルが単一のバンクより雷からのはるかに良い保護を形成するようである。問題の発電所、サン・ミゲル・コンソリデーテッド・ゴールド・マイニング会社のものでは、問題の避雷器の設置後の全体の雷シーズンが設備のいずれにも雷による損傷なしで過ぎた。上で言及した直前の2つの雷シーズンでは、発電所の発生機械への雷による損傷が頻繁で広範囲だった。
避雷器とチョークコイルにより達成される雷放電に対する高いセキュリティの度合いの良い例はナイアガラの滝発電所に存在し、昇圧および降圧変圧器が雷により決して損傷されなかったが送電線が繰り返し打たれポールとクロスアームが破壊された（vol. xviii., A. I. E. E., p. 527）。この例は、避雷器が絶対的な保護ではないが、電気発電所の装置に高いセキュリティの度合いを提供するという一般的な経験を裏付ける。
雷放電は避雷器が一部のケースで線路間からワイヤ間を横断して接続され、フルライン圧力が空気ギャップを横断して電流を強制する傾向がある。この慣行の目的は、共振によるような回路上の過度な電圧を防ぐことである。この場合、線路ワイヤから地への避雷器が雷に対する保護として接続される場合のように、空気ギャップの数は通常のライン電圧がシリンダー間のアークを開始しないようにするべきである。
避雷器での空気ギャップの一連の数と総長は、そのギャップが与えられた電圧でアークの通過を防ぐのに必要なものより、その構造とそれが接続される回路の通常電圧以外に依存する。
アメリカ電気技師協会の標準化委員会の報告によると、さまざまな実効正弦波電圧での反対する鋭い針点間の空気でのスパーク距離は以下の通りである（vol. xix., A. I. E. E., p. 1091）：
+——————–+—————+
|キロボルト平方根 |インチスパーク|
|平均二乗。 | 距離。 |
+——————–+—————+
| 5 | 0.225 |
| 10 | .47 |
| 15 | .725 |
| 20 | 1.0 |
| 25 | 1.3 |
| 30 | 1.625 |
| 35 | 2.0 |
| 40 | 2.45 |
| 45 | 2.95 |
| 50 | 3.55 |
| 60 | 4.65 |
| 70 | 5.85 |
| 80 | 7.1 |
| 90 | 8.35 |
| 100 | 9.6 |
| 110 | 10.75 |
| 120 | 11.85 |
| 130 | 12.95 |
| 140 | 13.95 |
| 150 | 15.0 |
+——————–+—————+
この表からすぐにわかるように、点間のスパーク距離はそれらの間の電圧よりはるかに速く増加する。したがって、20,000ボルトは点間の1インチの空気ギャップをジャンプするが、この圧力の7倍、または140,000ボルトは13.95インチの空気ギャップを横断するスパークを強制する。2つのシリンダーまたは他の鈍い体は与えられた電圧でそれらの間のスパーク距離が針点のそれより小さいが、複数のシリンダーが並んで短い空気ギャップで置かれた場合、与えられた電圧でアークの通過を防ぐこれらのギャップの総長は針点間のその電圧のスパーク距離よりはるかに大きくまたは小さくなるかもしれない。テストでスパークの通過を防ぐのに必要なシリンダー間の1/32インチスパークギャップの数は、名指しされた電圧と電動勢の正弦波で以下の通りであることが実験でわかった（vol. xix., A. I. E. E., p. 1026）：
+———-+———+
|1/32インチ| 通常 |
|空気ギャッ|電圧阻止。|
|プの数 | |
|直列。 | |
+———-+———+
| 5 | 6,800 |
| 10 | 10,000 |
| 15 | 12,500 |
| 20 | 14,500 |
| 25 | 16,400 |
| 30 | 18,200 |
| 35 | 19,300 |
| 40 | 20,500 |
| 45 | 21,700 |
| 50 | 22,600 |
| 55 | 23,900 |
| 60 | 25,000 |
| 65 | 26,000 |
| 70 | 27,000 |
| 75 | 28,000 |
| 80 | 29,000 |
+———-+———+
これらのデータによると、10,000ボルトでの放電を防ぐためにシリンダーの列に必要なのは10の空気ギャップで各1/32インチで合計0.3125インチであるが、この電圧でスパークを得る反対する針点は0.47インチ離れているかもしれない。一方、非アーク合金のシリンダー間の1/32インチの80の空気ギャップ、または総ギャップ2.5インチは29,000ボルトでの放電を防ぐのに必要であり、30,000ボルトは反対する針点間の単一ギャップの1.625インチだけを横断するスパークを強制できる。
上で記録されたテストで存在した条件下では、避雷器でのアークの形成を防ぐのにちょうど必要な1/32インチ空気ギャップの総長が針点間の単一スパーク距離に等しい圧力は約18,000ボルトであるようである。
送電線のための避雷器での総空気ギャップを複数の短いギャップに分ける目的は、雷放電により開始されたアークが通常の発電機または線路電流により継続することを防ぐことである。電気スパークが金属から金属へ空気を通って跳ぶとすぐに、激しく加熱された空気と金属蒸気により低電気抵抗の経路が形成される。このように形成されたアークが例えば2インチ長い場合、通過電流が小さくなりゼロに落ちるとある量冷却する。しかし、この2インチの総アークが金属片により64の部分に分けられた場合、電流が減少する間の冷却プロセスは金属片の大きな導電力のため単一の2インチアークよりはるかに急速に進む。交流電流は各周期で2回ゼロになるため、避雷器で雷放電により形成された多くの短いアークは、線路電圧の次の小さな値の間にそれらが急速に冷却されるため、避雷器が接続されたシステムに適切に設計されている場合、通常の線路電圧がそれらを維持できない点に抵抗が急速に上昇する。こうして多くのギャップ避雷器は、単一の長いアークに組み合わせられた場合ラインを短絡する電流が流れる雷放電により開始された多くの小さなアークを破壊する。
ある金属のように鉄と銅の間で電気アークが通るとき、それらの表面に小さなビードが上がる。これらの金属が避雷器のシリンダーに使用された場合、それらの表面のビードは短い空気ギャップを急速にブリッジする。他の金属、例えば亜鉛、ビスマス、アンチモンは、それらの表面間のアークの通過により穴が開く。これらの2つのクラスの金属の適切な混合により、避雷器のシリンダーのための合金が得られ、少ししか穴が開かず、したがって雷放電により少ししか傷つかない。長い使用と多くの放電の後、ここで考慮されたクラスの避雷器は徐々に電気アークを破壊する力を失う。これは亜鉛の燃焼とシリンダーの表面に銅を残すためかもしれない。
避雷器の構造と通常の線路電圧のほか、アークを破壊する力は接続された発電機がギャップを通る電流が流れる短絡で電流を供給する容量と回路のインダクタンスに依存する。システムに接続された発電機の容量が大きいほど、避雷器がアークをブレークする条件が厳しく、破断される電流が大きい。同様に、回路のインダクタンスの増加はアークをブレークする避雷器の作業を追加する。
電圧位相のその時点でゼロまたは近くで雷放電により開始されたアークは避雷器により容易に破壊されるが、通常の線路電圧が最大値を持つ瞬間に開始されたアークは避雷器を通るより大きな電流により生成されたより大きな熱のためはるかにブレークしにくい。この理由で避雷器でのアークは一部のケースで他のケースより長く持続し、雷放電により開始された位相の部分による。雷放電はもちろん線路電圧の任意の位相で発生し、この理由で特定の避雷器が常に結果のアークをブレークすることを観察から確実に知るためには多くの放電が発生しなければならない。1秒あたり25～60サイクルでは与えられた避雷器のアークをブレークする力に後者への小さな違いがあり、おそらく低い周波数で位相あたりアークでより多くの熱が開発されるためである。
通常の線路電圧により直接アークを発展させるのを防ぐために避雷器での総空気ギャップを増加させると同時に、接続された発電機の容量の増加は、より大きな電流により流れるアークが十分に急速に冷却されるために総空気ギャップのより多くの細分化を要求する。これらの2つの要件は程度で対立しており、総空気ギャップの細分化はすでに示されたように通常の線路電圧によりアークの通過を防ぐのを少なく効果的にする。結果として、大きな容量のシステムではアークを破壊するのに必要な避雷器での空気ギャップの数と総長は、避雷器と直列に比較的大きな抵抗が接続されない限り、通常の線路電圧によりアークを発展させるのを防ぐのに必要なこれらの空気ギャップの数または長より大きい。各避雷器と直列の抵抗を増加させるとともに総空気ギャップの長さを増加させることは、雷放電の時にラインと接続された装置の絶縁に生成される歪みを増加させる。一部の避雷器の種類では抵抗がすべての空気ギャップの一部と並列に接続され、この避雷器の純利点はそれ以外必要だったより低い抵抗をすべての空気ギャップと直列に使用できることである。この避雷器の総空気ギャップの半分がシャント抵抗によりシャントされ、シリーズとシャント抵抗は互いに直列である。最初に雷放電によりジャンプされるのはシャントされていないシリーズ空気ギャップだけで、放電はこれらの空気ギャップとシャントとシリーズ抵抗をすべて直列に通って地へ通る。アークは次にシャントされた空気ギャップで開始され、このアークは順番にシャントがこれらのギャップでの電流を弱めるため破壊される。これによりアークの全電流がシリーズ空気ギャップとシャントとシリーズ抵抗をすべて互いに直列に通る。シャント抵抗が比較的大きいため、シリーズ空気ギャップでのアークを維持する電流が次にこのアークが破断される点に減少する。その製造者の主張をそのまま取ると、シャントされた空気ギャップの利点はあまり明確ではない。シリーズ空気ギャップだけは明らかに通常の線路電圧がそれらを横断してアークを開始しないようにしなければならず、これらの同じシリーズギャップはそれらを通るライン電流のアークをシャントとシリーズ抵抗をすべて直列に流れるのをブレークできるようにしなければならない。明らかにラインと装置の絶縁への最大の歪みは雷放電がシリーズギャップとシャントとシリーズ抵抗をすべて互いに直列に通る瞬間に発生する。
なぜシャントされた空気ギャップで後続のアークを発展させるのか？なぜシャント空気ギャップを捨ててシャントとシリーズ抵抗を組み合わせないのか？
第XIV章。
陸上および水中の電気送電。
長距離で送電されるエネルギーは、時には地下または水中の導体を通らなければならない。他の場合では、送電線の一部を水下にするかオーバーヘッドにするかの相対的な利点の問題である。送電されたエネルギーが大都市の中心部の変電所に入る必要がある場合、使用される電圧に関係なく地下導体で通ることがしばしばある。一部の都市では、電圧が中程度の数値以内であればオーバーヘッドで運べるが、それ以外ではできない。ここでは、高電圧の送電線を地下に運ぶか、制限区域外に変圧所を設置し、次に低圧線をビジネスセクションにオーバーヘッドまたは地下で持ち込むかの問題になる。送電線が蒸気鉄道の軌道を横断する必要がある場合、電圧を下げても下げなくても地下にする必要があるかもしれない。送電線の経路にある水域を横断する場合、単一スパンまたはそのスパンが不可能なほど距離が大きいため、水下ケーブルが必要になる。このようなケーブルは通常の線路電圧で動作するか、水域の片側または両側に変圧所を設置できる。送電線で水域をスパンできる場合でも、そのスパンと支持物のコストが非常に大きいため、水中ケーブルの方が望ましいかもしれない。水中ケーブルを使用するのを避けるために送電線の長さを中程度増加させるのはほとんど常に推奨されるが、河川がラインの経路にある場合、オーバーヘッドまたは水中での横断を避けるのは一般的に不可能である。したがって、セントポールはアップル川の滝から25,000ボルトのラインで到達でき、途中で0.5マイル広いセントクロワ川を横断した。コルゲートとオークランド間の40,000ボルト送電を実施するために、ほぼ1マイルの清水があるカルキネス海峡を横断した。時々、上で挙げた2つのケースの前者のように、既存の橋を送電線の支持に利用できるが、より頻繁に河川の岸から岸へのオーバーヘッドスパンと同じ点間の水中ケーブル間の選択である。
高電圧でのオーバーヘッドラインの主な利点は、ほとんどの事例で地下または水中ケーブルのそれの分数である比較的小さな初期コストである。40,000～50,000またはそれ以上の非常に高い電圧では、オーバーヘッドラインはそのような圧力での地下および水中ケーブルの耐久性がまだ未知の量であるため、信頼性の点で首位を与えなければならない。一方、そのような圧力でのケーブル絶縁が経験により徹底的に効果的であることが示された電圧では、地下または水中ケーブルはこれらのケーブルが享受する機械的乱れからのより大きな自由のため、オーバーヘッドラインより信頼性が高いかもしれない。
多くの都市のビジネス部分では、送電線はその電圧が高いか低いかに関わらず地下に行かなければならない。これらの条件下では、エネルギーを配電のための変電所に送電するか、そこに位置する発電所から外部の点に送電するかが望まれるかもしれない。送電されたエネルギーがそのような変電所に到達する前に圧力が下げられる場合、変圧所を提供しなければならず、これにより地下ケーブルを中程度の電圧で動作させられる。このようなケースでの低い電圧での絶縁の利点を、ケーブルでの導体の追加重量と変圧装置と発電所のコストと比較するべきである。変圧所から供給される電圧が変電所での配電の必要な電圧に対応しない場合、送電エネルギーの電圧をオーバーヘッドラインから地下ケーブルに通る場所で下げることで降圧変圧器の容量が変電所での供給容量の各キロワットに対して2キロワットになる。まさにこのような条件がナイアガラの滝の発電所からのエネルギーの供給に関連してバッファローで存在する。この送電は最初11,000ボルトで実施され、オーバーヘッドラインが地下ケーブルに結合するバッファロー市限界にターミナル発電所が位置し、都市の異なる部分のいくつかの変電所に同じ電圧で送電を続けた。後にオーバーヘッド送電線の電圧が22,000に上げられ、地下ケーブルの絶縁をこの高い圧力にさらすのは推奨されないと考えられ、ターミナル発電所に変圧器が設置されてライン電圧を地下ケーブルの11,000に下げた。このケースの変電所も変圧器を持つため、変電所での供給容量の各キロワットに対して降圧変圧器に2キロワットの容量がある。
[イラスト: FIG. 74.–モントリオールの25,000ボルトシャンブリーラインのケーブルターミナルハウス。]
エネルギー伝送の完全な電圧を配電が発生する変電所まで継続することで変圧器の容量とケーブルの重量での節約が提供され、これらのラインが延長であるオーバーヘッド送電線の同じ圧力で地下ケーブルを動作させる強い動機を提供する。したがって、ハートフォードでは、水力発電所からの10,000ボルトオーバーヘッドラインが都市の外縁にエネルギーを運び、そこでのターミナルハウスで完全な線路電圧で変電所に送電を完了する地下ケーブルに直接接続される。マサチューセッツ州スプリングフィールドでは、水力発電所からのオーバーヘッド送電線が変電所からほぼ2マイルの距離で地下ケーブルに直接接続され、これらのケーブルはこうして6,000ボルトの完全な線路圧力にさらされる。アップル川の滝からセントポールへの25,000ボルトオーバーヘッドラインがそこで変電所から約3マイルで終了し、送電は25,000ボルト圧力で地下ケーブルにより完了される。
これらと類似のケースでは、都市の中心部分での完全な送電電圧での地下ケーブルとはるかに低い圧力でのオーバーヘッドラインの相対的な利点を比較しなければならない。中程度の電圧でのオーバーヘッドラインは、地元規制で許可される場合、ほとんどすべてのケースで等長で完全な送電電圧での地下ケーブルよりコストが低いだろう。
中程度の電圧でのオーバーヘッド都市ラインの低いコストへのオフセットとして、低圧による導体の重量の増加と追加の変圧器容量のコストが来るが、送電を完了するラインが配電の電圧で動作しない限りそうである。グレートフォールズからメイン州ポートランドへの10,000ボルトラインは、それぞれ変電所から約0.5マイルと2.5マイル離れた2つの変圧器ハウスで終了する。これらの変圧器ハウスでは電圧が2,500に下げられ、次にこの圧力で送電がさらに変圧なしで配電が発生する変電所に続けられる。
河川または他の水域を送電線が横断する必要がある場合、3つの計画のいずれかが採用される。オーバーヘッドラインはそのまま水域を横断して続き、単一スパンまたは水域にその目的で構築された1つまたは複数のピアで支持された2つ以上のスパンで。オーバーヘッドラインは水中ケーブルに直接接続され、このケーブルは送電の完全な電圧にさらされる。第3の手段として、水中ケーブルを敷設し、横断される河川または他の水域の片岸に降圧変圧器と他岸に昇圧変圧器に接続する。これらの変圧器に接続するオーバーヘッドラインは明らかに任意の望まれる電圧で運用でき、これはケーブルについても同じである。
水域を横断する距離が送電線を単一スパンで運べないほど大きくない場合でも、そのようなスパンのコストは大きいかもしれない。例として、コルゲートとオークランドのラインが4,427フィートのスパンでカルキネス海峡を横断するケースがある。これらの海峡は送電線が横断する場所で約3,200フィート広く、オーバーヘッドラインは航行を妨げないように高水位から200フィート以上必要だった。高さを獲得し塔の高さを減らすために、海峡の反対側で4,427フィート離れた2つの点が位置に選ばれた。これらの状況下で、4つの鋼ケーブルを支持するために65フィートと225フィートの鋼塔が2つ必要だった。これらの4つのケーブル、クリアスパンがブルックリンブリッジのほぼ3倍の各々の歪みを取るために、ハウスドストレイン絶縁体付きの8つのアンカーが構築され、各塔の陸側に4つずつ。各アンカーでの歪みは24,000ポンドであると言われる。これらのスパンを作るケーブルでの各端にはスイッチハウスがあり、2つの三相送電線のいずれかが4つの鋼ケーブルの任意の3つに接続され、修理のために1つのケーブルを自由に残す。これらの鋼塔とケーブルの相対コストを同じ作業のための水中ケーブルと述べるのは不可能であるが、一見すると問題は開いている。40,000の電圧、この送電が実施されるものは、おそらく使用中の水中ケーブルでのそれより高いが、そのような電圧で適切なケーブルを運用できる可能性がある。水下ケーブルに適用される電圧の限界が何であれ、スイッチハウスで昇圧および降圧変圧器を使用し、水中ケーブルを任意の望まれる電圧で運用するのはもちろん実用的だった。
もう一つのケース、ニューハンプシャー州ポーツマスとドーバー間の送電では、13,500ボルトで運用される三相回路のラインが4,811フィート長で必要だった。この横断で大きなスパンまたは上げ下げ変圧器の使用を避け、完全な送電電圧で運用される水中ケーブルを通じてラインを完了することが決定された。この目的で、内部6×8フィートでコンクリートフロアからタイル屋根まで13フィートの標高のレンガターミナルハウスが湾の各岸に水中ケーブルが出てくる点で建てられた。鉛被覆ケーブルはこれらのターミナルハウスの基礎をフロアレベル下4フィートの点で貫通し、そこから壁を上ってフロア上11フィートの標高まで上がり、オーバーヘッドラインの端との接続が作られた。この接続から3つの導体の各々でスイッチと一連の避雷器にタップが運ばれた。3つの導体を含む単一の鉛被覆ケーブルがこれらの2つのターミナルハウス間の接続を作る。このケーブルの各端の鉛シースは1フィート長で外径2.5インチで、3つの導体が出てくる端で4インチに増加するターミナルベルに結合する。このターミナルベルはフレアリングの上端近くまで絶縁化合物で満たされる。
上で挙げた事例では、水中ケーブルのコストがこの水域を横断するほぼ1マイルの長いスパンと岸支持のための支出より少ないかもしれない。
地下および水中ケーブルは絶縁の信頼性を示すのに十分に長い期間、高い電圧で運用された。デプトフォードとロンドン間のフェランティ地下ケーブルは1890年以前の日付から定期的に11,000ボルトで電流を運んでいる。約5年間、総長16マイルのケーブルがセントアンソニーの滝からミネアポリスに電力を送電した。バッファローでは、約30マイルのゴム絶縁ケーブルが1897年から11,000ボルトの地下作業で使用され、1901年の最初の部分から18マイルの紙絶縁ケーブルが使用された。これらの例は11,000～12,000ボルトでの地下ケーブルを通じた送電が完全に実用的であることを示すのに十分である。ペンシルベニア州リーディングでは、1マイル長い地下ケーブルが1902年のある時点からオーリーバレー鉄道のために16,000ボルトの三相電流を運んでいる。セントポールでの三相、25,000ボルト電流を運ぶ地下ケーブルの総長は6マイルで、1900年から使用されている。この25,000の電圧は、光または電力のためにエネルギーを運ぶ地下または水中ケーブルでの定期使用で最高のものかもしれない。これまで得られた経験から、地下ケーブルの適用された電圧を絶縁の禁止的なコストに達する前に非常に大幅に増加できると考える多くの理由がある。
水中ケーブルでは、上で言及したポーツマスとドーバー送電の13,000の電圧は使用中のいずれかと同じくらい大きいかもしれない。しかし、与えられた電圧での絶縁への負担に関して地下コンジットに敷設されたケーブルと水下に敷設されたケーブルの間に実質的な違いが存在するようには見えない。いずれの場合でも、使用される電圧の全応力がケーブル内のいくつかの導体間の絶縁と各導体と金属シースの間で動作する。地下コンジットは高い電圧の絶縁体として小さな価値しか持たない。なぜなら、それらを防水に保ち、中での湿気の吸収または凝縮を防ぐのは実質的に不可能だからである。これらの理由で、そのような圧力で良好な結果を与えるケーブルは同等の電圧で水下で使用可能であるべきである。高電圧ケーブル用の標準構造は、各導体またはケーブルを構成する導体のグループの外側に連続した金属シースを含む。現在ほとんどの送電が三相電流で実施されるため、三相回路に対応する3つの導体は通常単一のケーブルに含まれ、単一のシースで覆われる。ポーツマス、バッファロー、セントポールの送電で使用されたケーブルはこのタイプである。単相または二相電流が送電される場合、各ケーブルは回路を構成する2つの導体を含むべきである。交流での作業では、ケーブルごとに1つの導体だけを使用するのはそのケーブルの金属シースで誘導される電流から生じるエネルギーの損失のため避けるべきである。
交流の完全な回路を形成する2つ、3つ、またはそれ以上の導体が単一の金属シースに含まれる場合、いくつかの導体での電流の誘導効果は互いに中和する傾向があり、シースでのエネルギーの無駄は大部分避けられる。金属シースでの局所電流の傾向をより完全に中和するために、交流回路のいくつかの絶縁された導体は別々に絶縁された後にシースが置かれる前に時々ねじられる。ナイアガラの滝での電力配電は最初、2,200ボルトの二相電流で単導体、鉛被覆ケーブルを通じて実施された。この計画への1つの反対はケーブルでの鉛被覆での誘導電流によるエネルギーの損失だった。後に2マイルを超える遠い点で10,000ボルトの三相配電を採用することが決定された。この目的の各三相回路は3つの導体で構成され、別々に絶縁され、次にバルカナイズゴムの絶縁を持つケーブルでシースでの誘導電流による損失を避けるために単一の鉛シースで覆われた。地下および水中作業の高電圧ケーブルは一般的に連続した鉛シースで覆われ、時々亜鉛メッキ鉄線のスパイラル層で覆われる。水中作業では両方の種類の被覆が使用されるが、地下作業では鉄線なしの鉛被覆が一般的に好まれる。ケーブルの鉛シースの外側に置かれた亜鉛メッキ鉄線の層で覆われたケーブルはケーブルのサイズと位置に応じて各々が0.12～0.25インチの直径のワイヤで構成される。
地下コンジットはそれらを含むケーブルを土壌の湿気と酸から除外するのに頼れないし、これらの代理のいずれかが破壊的な結果を引き起こすかもしれない。ゴム絶縁ケーブルでその外側の保護被覆なしで地下コンジットに敷設された場合、ゴムはコンジットに到達する流体とガスにより急速に破壊されるかもしれない。このようなケーブルで鉛被覆が使用された場合、土壌の酸がそれを攻撃し、電気鉄道からの迷走電流が鉛を便利な導体として見つけた場合、それらが流出する場所で急速に食われる。これらの結果を避けるために、地下ケーブルは鉛シースを持ち、このシースはアスファルトムで処理された麻またはジュートの大外層で保護されるかもしれない。
ゴム、紙、および綿は地下および水中ケーブルの絶縁として広く使用されるが、3つは通常一緒に使用されない。一般的に、絶縁は各導体に別々に適用され、次にケーブルを構成する導体のグループについて追加の絶縁層が位置できる。ゴム絶縁が使用される場合、鉛シースが追加されるかもしれないが、絶縁が綿または紙に依存する場合、外側の鉛被覆は湿気を保つために絶対に必要である。各導体とケーブルの導体のグループについての絶縁の径方向厚さは運用電圧に応じて変化するべきである。
マンハッタン高架鉄道の発電所と変電所の間のケーブルは三導体タイプで、ゴム絶縁、鉛被覆で、タイルコンジットに敷設された。各ケーブルは3つのNo. 000撚り線導体を含み、各導体は独自のゴム絶縁を持つ。ジュートが導体のグループに外側の円形を与えるために敷かれ、グループの外側に絶縁層、次にすべての上に鉛シースが置かれる。このケーブルの外径はほぼ3インチで、直線フィートあたり9ポンドの重量である。
ナイアガラの滝からの11,000ボルト三相電流は、ターミナルハウスからバッファローの7つの変電所に約30マイルのゴム絶縁と18マイルの紙絶縁、三導体、鉛被覆ケーブルを通じて配電され、すべてタイルコンジットにある。各ケーブルで3つのNo. 000撚り線導体は別々に絶縁され、次にジュートヤーンで敷かれて丸い表面を与え、テープがそれらを一緒に保つために使用され、次にすべての上に鉛シースが置かれる。一部のゴム絶縁ケーブルは各導体に9/32インチの30パーセント純粋ゴム化合物を持ち、残りのゴムケーブルは各導体に8/32インチの40パーセント純粋ゴム化合物を持つ。紙絶縁ケーブルは各導体に13/64インチの紙を持ち、グループの3つの導体について次の13/64インチの紙が鉛シースの近くに置かれる。外径でゴム絶縁ケーブルは2-3/8インチ、紙絶縁ケーブルは2-5/8インチで、各場合の鉛シースの径方向厚さは1/8インチである。30パーセント純粋ゴムであると言われる混合物の9/32インチで絶縁されたケーブルが40パーセント純粋ゴムであると言われる混合物の8/32インチで絶縁されたケーブルより信頼性が高いことが報告された。Vol. xviii., A. I. E. E., 136, 836。
セントポールでの三相、25,000ボルト電流を運ぶ地下ケーブルの6マイルは三導体タイプで、鉛被覆で、タイルコンジットに敷設された。2つの3マイルケーブルの1つはゴム絶縁で、もう1つは紙絶縁である。前者のケーブルでは各導体は約35パーセントの純粋ゴムを含む化合物で別々に絶縁され、径方向厚さは7/32インチである。絶縁された3つの導体は丸い表面を与えるためにジュートで敷かれ、テープがそれらを一緒に保ち、次に5/32インチ厚のゴムカバーがグループについて置かれ、次にすべての上に鉛シースが来る。3マイルの紙絶縁ケーブルでは各導体に9/32インチの紙があり、ジュートで3つの導体が一緒に敷かれテープされ、次にグループの上に4/32インチ厚の紙の層が置かれる。すべての外側に鉛シースが来て、外側の錫コーティングがある。これらのケーブルの鉛シースは1/8インチ厚で、前者のシースは3パーセントの錫を含む。各ケーブルでの3つの導体の各々は7つの銅撚り線で構成され、66,000円形ミルの面積を持つ。鉛シースの外側でこれらのケーブルの各々は約2-1/4インチの直径を持つ。製造者の契約によりこれらのケーブルは出荷前に40,000ボルトまでテストされ、購入から5年以内にコンジットで30,000ボルトまでテストされるかもしれない。ゴム絶縁のケーブルは紙が使用されたケーブルより約50パーセント高価であると言われた。Vol. xvii., A. I. E. E., 650。
オーストリアとドイツで広く使用される地下ケーブルでは、別々の導体が絶縁化合物で処理された綿ブレイドで覆われ、次にケーブルを構成する導体のグループが鉛シースで囲まれる。10,000～12,000ボルトで動作するケーブルでは各導体の綿絶縁の径方向厚さは3/16インチ以内であり、これらのケーブルはケーブルの端以外をすべて水に置き、次に水を25,000ボルト回路の一端に接続し、他端をケーブルの導体に接続して25,000ボルトまでテストされる。
セントポールの紙絶縁ケーブルでのテストは、3マイルの長さで25,000ボルトで充電電流が1.1アンペアであることを示した。ゴム絶縁のケーブルでは長さ1マイルあたりの充電電流が紙絶縁ケーブルでの同電流の約2倍だった。これらのテストは1秒あたり60サイクルの三相電流で行われた。
オーバーヘッド送電線が地下または水中ケーブルに結合する場合、変圧器の有無にかかわらず、オーバーヘッドワイヤに到達したこのような放電を遮断するために避雷器を提供するべきである。バッファローのターミナルハウスでは22,000ボルトオーバーヘッドラインが変圧器を通じて11,000ボルトケーブルを供給し、セントポールのターミナルハウスでは25,000ボルトオーバーヘッドラインが地下ケーブルに電気的に接続され避雷器が提供された。地下または水中ケーブルがオーバーヘッドラインの2つの部分を接続する場合、上で言及したポーツマスとドーバー送電のように、そのケースでされたようにケーブルの各端に避雷器を提供するべきである。地下または水中ケーブルでの高い電圧ではなく低い電圧の1つの利点は、ケーブルでの故障で流れるアンペアが送電の電圧ではなくそこで破壊効果を決定するという事実にある。バッファローの11,000ボルトケーブルの1つでの故障または短絡は通常シースで少しの鉛を溶かすだけでケーブルまたはそのダクトを傷つけるのに十分な爆発力を持たないと報告された。
オゾンはゴムの絶縁特性を非常に急速に破壊するようであり、高電圧での導体からのサイレント電気放電がオゾンを発展させることはよく知られているため、ゴム絶縁をその動作から保護する注意を取るべきである。これはケーブル端でのスイッチまたは他の装置との接続が作られ、ゴム絶縁が露出される場所で特に真実である。このような点でのゴムを保護するために、端近くの鉛シースに真鍮ケーブルヘッドまたはターミナルベルをはんだ付けし、このヘッドはシースの直径の約2倍の直径を持ち、次にこのヘッド内のケーブル導体についてのスペースを絶縁化合物で満たす慣行である。このようなヘッドはバッファローの11,000ボルトケーブルとポーツマスとドーバー送電の13,500ボルトケーブルで使用された。
絶縁材料、ゴム、綿、または紙は熱により損なわれまたは破壊されるかもしれないため、フルロード下での地下ケーブルの温度を安全限界内に保つ必要がある。ゴム絶縁はおそらく125°または150°華氏まで傷つかずに上げられ、紙と綿は少し高くなるかもしれない。与えられたサイズと鉛ケーブルの製造で、与えられたケーブルフィートあたりのワット損失での周囲の空気の上への導体の温度上昇は計算または実験で決定できる。次のステップは、与えられたワット損失1フィートあたりのケーブルで、コンジットが敷設された土の温度の上へのコンジット内の空気の温度上昇を調べることである。この点に関する実験データはほとんどない。明らかに、ダクトが作られる材料、一緒にグループ化されたダクトの数、同時運用されるケーブル、ダクトがどれだけ換気されるかはこの問題に重要な影響を持つ。ナイアガラの滝では、約140フィート離れた2つのマンホールの間の36ダクトコンジットのセクションでの空気温度の上昇を示すテストが行われた。このテストの目的で、コンジットの36ダクトの24に1つのNo. 6引き込みワイヤが各々に通された。これらの24ワイヤは各8ワイヤの3グループに接続され、1グループは周囲の土に隣接したダクトすべて、もう1グループは半分が土に隣接したダクトで他半分が少なくとも1つのダクトで土から分離されたダクト、3番目のワイヤグループは完全に少なくとも1つのダクトで土から分離されたダクトだった。これらのワイヤを通じて十分な電流が送られ、それらが位置するダクトフィートあたり5.5ワットの損失を表すと、土に隣接したダクト内の空気の温度上昇は土の上108°華氏だった。土から少なくとも1つの他のダクトで分離されたダクトでは含まれる空気の温度上昇は土の上144°華氏だった。ダクト周囲の土が暑い天候で70°に達した場合、内部ダクト内の空気の温度はダクトフィートあたり5.5ワットの損失で214°になる。この温度はゴム、綿、または紙絶縁に高すぎ、運用中のケーブルでの導体と絶縁の温度がそのダクト内の周囲空気のそれを超える量を言うまでもない。これらのダクトに実際に設置されたケーブルは2.34ワットの損失1フィートのために設計された。テストで使用されたNo. 6ワイヤはケーブルがするように各ダクトをほぼ満たさなかったため、テスト中に行われた換気の量を知るのは非常に興味深い。残念ながら、この点は報告されなかった。Vol. xviii., A. I. E. E., 508。
第XV章。
線路導体の材料。
銅、アルミニウム、鉄、およびブロンズはすべて長距離電気送電の導体として使用されるが、銅はこの目的のための標準金属である。送電線のための理想的な導体は、最高の電気伝導性、大きな引張強度、高い融点、低い膨張係数、硬度、および大きな酸化耐性を組み合わせるべきである。挙げられた金属のいずれもこれらの特性を最高度に持たず、問題は各ケースに最も適した材料を選択することである。アルミニウムは天候への露出で非常に少ししか苦しまないが、銅とブロンズは少し多く苦しみ、鉄と鋼線は錆により深刻に攻撃される。
鉄、銅、およびブロンズはすべて硬く、これらの金属のワイヤが絶縁体への取り付け点で切れたり摩耗したりするトラブルはほとんど発生していない。一方、アルミニウムは柔らかく、ワイヤの揺れが時間とともに支持部での材料摩耗を引き起こすかもしれないし、タイワイヤで切られるかもしれない。しかし、アルミニウムワイヤのラインは硬度の欠如から予想されるトラブルを決定するのに十分長く使用されていない。
送電ワイヤでは小さな膨張係数が望ましく、ワイヤ自身とその支持物への歪みが各スパンの垂直偏向量で急速に変化し、偏向が減少するにつれて大きくなるためである。銅の膨張を1として、アルミニウムのそれは1.4；ブロンズの1.1；鉄と鋼の0.7である。これらの数字から、鉄と鋼ワイヤが支持間でのたるみの量の最小変動を示し、アルミニウムワイヤが最大を示すことがわかる。
鍛鉄は約2,800°、鋼は2,700°、銅は1,929°、ブロンズは銅と同じくらいの点で、アルミニウムは1,157°華氏で溶融する。このアルミニウムの低い融点は、異物ワイヤがそれに落ちる場所でその材料のラインを開くことでトラブルの源になるかもしれない。これは報告によると、30,000ボルト送電線上の変電所で示され、スイッチボードで破壊的なアークが開始された。アークを他の方法で消せないため、ラインマンが変電所のすぐ外側のアルミニウムラインに鉄ワイヤを投げ、これらのラインはすぐに鉄ワイヤにより溶融され、回路を開いた。このケースではトラブルがそれほど絶望的な救済を正当化したかもしれないが、一般的に短絡を取り除くために送電線を切るのは利益にならない。
陸上の通常の送電線の建設ではワイヤの引張強度は使用される導体の強度に応じて支持物を間隔できるため、電気伝導性に二次的な重要性である。水域の大きな体を横断する必要がある場合、引張強度は主な要件である。したがって、カリフォルニアのコルゲートからオークランドへの142マイルラインは、直径7/8インチで長さ4,427フィートの鋼ケーブルでカルキネス海峡を横断する。この長いスパンに鋼ワイヤが選ばれたのは、おそらく他の金属のそれより大きな引張強度を与えられるためである。焼きなまし鉄ワイヤは平方インチあたり50,000～60,000ポンドの引張強度を持つ。鋼ワイヤは50,000から350,000ポンド以上まで変化するが、平方インチあたり80,000～100,000ポンドの強度の軟鋼ワイヤは容易に得られる。
軟銅は平方インチあたり32,000～36,000ポンドの引張強度を示し、硬引き銅は硬度の度合いに応じて45,000～70,000ポンドである。シリコンブロンズワイヤは平方インチあたり60,000未満から100,000以上まで変化し、フォスファーブロンズは約100,000ポンドである。ブロンズワイヤはほとんどの合金のワイヤのように鉄または銅のそれよりはるかに広い強度の範囲を示す。
シリコンブロンズワイヤでは電気伝導性が引張強度が増加するにつれて減少する。アルミニウムワイヤの引張強度は送電線で使用される他のものより低く、平方インチあたり約30,000ポンドである。大きなサイズの固体アルミニウムワイヤは公称強度以内の歪みで破断するトラブルを与え、おそらく不完全またはねじれのためである。このトラブルは現在アルミニウムケーブルの使用で一般的に避けられる。
通常の送電線建設ではワイヤの引張強度は使用される導体の強度に応じて支持物を間隔できるため、電気伝導性に二次的な重要性である。大きな水域を横断する必要がある場合、引張強度は主な要件である。したがって、カリフォルニアのコルゲートからオークランドへの142マイルラインは、直径7/8インチで長さ4,427フィートの鋼ケーブルでカルキネス海峡を横断する。この長いスパンに鋼ワイヤが選ばれたのは、おそらく他の金属のそれより大きな引張強度を与えられるためである。焼きなまし鉄ワイヤは平方インチあたり50,000～60,000ポンドの引張強度を持つ。鋼ワイヤは50,000から350,000ポンド以上まで変化するが、平方インチあたり80,000～100,000ポンドの強度の軟鋼ワイヤは容易に得られる。
軟銅は平方インチあたり32,000～36,000ポンドの引張強度を示し、硬引き銅は硬度の度合いに応じて45,000～70,000ポンドである。シリコンブロンズワイヤは平方インチあたり60,000未満から100,000以上まで変化し、フォスファーブロンズは約100,000ポンドである。ブロンズワイヤはほとんどの合金のワイヤのように鉄または銅のそれよりはるかに広い強度の範囲を示す。
シリコンブロンズワイヤでは電気伝導性が引張強度が増加するにつれて減少する。アルミニウムワイヤの引張強度は送電線で使用される他のものより低く、平方インチあたり約30,000ポンドである。大きなサイズの固体アルミニウムワイヤは公称強度以内の歪みで破断するトラブルを与え、おそらく不完全またはねじれのためである。このトラブルは現在アルミニウムケーブルの使用で一般的に避けられる。
送電線で最も必要な特性である伝導性では、銅は銀を除く他のすべての金属を上回る。軟銅ワイヤの伝導性を100として、硬引き銅のそれは98；シリコンブロンズのそれは46～98；アルミニウムの60；フォスファーブロンズの26；焼きなまし鉄ワイヤの14；平方インチあたり100,000ポンドの強度の鋼の11である。通常製造された軟銅と硬銅の両方は標準から1パーセントを超えない変動をし、アルミニウムと焼きなまし鉄ワイヤも抵抗として高い均一性を示す。一方、シリコンブロンズと鋼ワイヤは電気伝導性で大きく変動する。特定の送電線では抵抗は導体として使用される金属とは別の考慮で通常決定され、したがって与えられた抵抗または伝導性のラインはワイヤのサイズ、重量、強度、およびコストの要件に最も適合する材料で構築される。
与えられた長さと抵抗で使用できる最小の線路ワイヤは純粋な軟銅の1つである。次に断面積で硬引き銅と一部のシリコンブロンズが来、どちらも等しい抵抗のための軟銅より2パーセント大きいだけ必要である。より大きな平方インチあたり引張強度の一部他のシリコンブロンズワイヤは軟銅の2.17倍の断面積を必要とする。
銅の伝導性の60パーセントを持つアルミニウムワイヤは等しい抵抗のワイヤのためにその断面の1.66倍を必要とする。フォスファーブロンズは銅の26パーセントしか持たないため、長さと抵抗が等しい場合ブロンズの断面は銅ワイヤの3.84倍でなければならない。焼きなまし鉄ワイヤは同じ長さの銅ワイヤに等しい抵抗の場合鉄が銅の断面の7.14倍を持つときに等しい。銅の伝導性の11パーセントを持つ鋼は同じ長さのワイヤが等しい抵抗を持つために銅断面の9.09倍を持つ必要がある。
送電線ではNo. 4 B. & S.ゲージより小さい銅ワイヤを使用するのは望ましくない。小さいサイズの引張強度の欠如のためである。与えられた伝導性の銅ワイヤがNo. 4より小さい場合、鉄ワイヤは銅のそれよりはるかに大きな強度で必要な伝導性を与える。他の金属の与えられた長さと抵抗のラインの重量は2つのラインの相対断面の数字と問題の金属の単位質量の重量と銅のそれの積で表される。
したがって、同じ伝導性で鉄ワイヤの特定の長さの重量は0.87 × 7.14 = 6.21倍の銅ワイヤの重量である。上で挙げた鋼ワイヤでは重量は0.89 × 9.09 = 8.09倍の銅ラインの等しい伝導性のそれである。フォスファーブロンズは与えられた長さと抵抗のラインで軟銅の3.84倍の重量を持つ。シリコンブロンズは送電線で軟銅の1.02～2.17倍の重量でなければならない。与えられた長さと伝導性のラインでアルミニウムは1.66 × 0.3 = 0.5倍の銅の重量である。与えられた長さと抵抗のラインで硬引き銅は軟銅の約2パーセント多い重量である。
軟銅の引張強度を平方インチあたり34,000ポンド、硬引き銅を45,000～70,000、シリコンブロンズを60,000～100,000、フォスファーブロンズを100,000、鉄を55,000、鋼を100,000、アルミニウムを30,000ポンドとして、等しい断面積のワイヤの相対強度を軟銅と比較すると、硬引き銅では1.32～2.06；シリコンブロンズでは1.76～2.94；フォスファーブロンズでは2.94；鉄では1.62；鋼では2.94；アルミニウムでは0.88である。
等しい長さと抵抗のワイヤを比較して軟銅を再び標準として、各々は次の通りである：硬引き銅ラインは1.02 × 1.32 = 1.34～1.02 × 2.06 = 2.10倍の軟銅ラインの強度を持つ。シリコンブロンズではラインワイヤの強度は1.02 × 1.76 = 1.79と2.17 × 2.94 = 6.38倍の銅の間である。鉄は軟銅に対するラインの強度を7.14 × 1.62 = 11.56で与える。平方インチあたり100,000ポンドの引張強度の鋼はラインを軟銅で構成された場合の26.70倍強くする。アルミニウムではラインの強度は1.66 × 0.88 = 1.46倍の銅である。フォスファーブロンズの数字は3.84 × 2.94 = 11.29である。
上記から、与えられた長さと抵抗のラインを形成するために他の金属のそれぞれに軟銅のポンドあたりの価格の何倍を支払えるかを示すことができる。これらの金属のポンドあたりの価格は軟銅のそれに対するものであり、次の通りである：軟銅の価格を1として、硬引き銅のそれは1 ÷ 1.02 = 0.98である。シリコンブロンズでは価格は軟銅ワイヤの1 ÷ 1.02 = 0.98、または1 ÷ 2.17 = 0.46と同じくらい低い。フォスファーブロンズは銅の1 ÷ 3.84 = 0.26の価格を持つかもしれない。鉄ワイヤの価格は銅の1 ÷ 6.21 = 0.16でなければならず、述べられた品質の鋼ワイヤでは価格は1 ÷ 8.09 = 0.12だけである。アルミニウムワイヤだけが同じ総コストで軟銅より高いポンドあたりの価格を持つことができ、この金属の相対コストの数字は1 ÷ 0.5 = 2である。
上記から、与えられたコスト、長さ、および抵抗のラインでは軟銅が最小の断面と引張強度を持ち；鋼が最大の断面、重量、引張強度、および最低の許容ポンドあたりの価格を持ち；アルミニウムが最小の重量と最高のポンドあたりの価格であることがわかる。
鉄と鋼ワイヤの両方の相対断面と重量が非常に大きいため、それらの一般使用を防ぎ、設置の労力とコストのためである。
ワイヤだけの初期コストに関して鉄は一部の金属市場で銅に約等しいかもしれない。しかし、鉄ワイヤの唯一の実用的場所は銅が小さすぎるか強くない場所である。鋼ワイヤはその高い抵抗にもかかわらず、非常に高い引張強度を必要とする数千フィートの単一スパンが必要な例外的なケースで場所を見つける。そのような場合では、過度のサイズとスパンの重量を避けるために鋼スパンをラインの主部分の等長より大きな抵抗を与えるのが通常良い。こうしても鋼スパンの抵抗は長距離送電線のそれと比較して非常に小さい。
フォスファーブロンズは比較的高い電気抵抗のため送電システムでの導体としてほとんど使用されない。大きな引張強度が望まれる場合、鉄または鋼はフォスファーブロンズのコストの分数でそれを提供する。導体として単にフォスファーブロンズは軟銅の0.26だけ価値があるが、その実際の市場価格は銅より大きい。
高い抵抗のシリコンブロンズは等しい伝導性のために銅の断面と重量の2.17倍を必要とし、送電線材料としてほとんどまたは全く考慮されない。この合金は銅と等しい伝導性を与えるために銅の価格の0.46だけ売らなければならない。しかし、シリコンブロンズの価格は銅と同じかそれ以上なので、与えられた抵抗のラインのための高抵抗シリコンブロンズのコストは銅の2倍以上になる。この2倍以上のコストでブロンズは軟銅ラインの6.38倍の引張強度を与える。
鉄の市場価格を銅の1/5として、これは鋼に十分に高い規則として、銅と等しい伝導性の鋼ワイヤは1.6倍しかコストが高くなく、銅の26.7倍の引張強度、または等しい伝導性のワイヤの高抵抗シリコンブロンズの4倍の引張強度を持つ。これから鋼がシリコンブロンズの高抵抗より伝導性と強度の安い組み合わせを提供することが明らかである。最も低い抵抗を持つ等級のシリコンブロンズは軟銅の価格の0.98と同じくらいのコストを持ち、等しい伝導性の銅の1.79倍の強度を持つ。このブロンズは実際にはポンドあたり銅よりコストが高いため、同じコストで等しい伝導性を与えられない。
最も硬い銅ワイヤは非常に硬く、ねじれたり曲げられたりした場合に中程度の硬さのワイヤより割れやすい。そのような中程度硬引き銅は等しい伝導性の軟銅より34パーセント大きな引張強度を持ち、長距離送電線で多く使用される。電気送電線で銅の唯一の重要な競争相手はアルミニウムであり、等しい伝導性のラインで軟銅より小さな重量、より大きな引張強度、および同じ総コストのための高い許容価格を組み合わせる。
等しい長さと抵抗のワイヤではアルミニウムは銅の断面の1.66倍を持つため軟銅より強い。等しい長さと抵抗のアルミニウムは中程度硬銅の1つより強いが、アルミニウムワイヤのポンドあたりの価格が銅のそれの2倍未満の場合、銅のいずれの等級よりコストが低い。これは通常の場合である。
これらの特性はアルミニウムを電気送電での銅の最も重要な競争相手にし、多くのケースでの使用につながり、特に世界の2つの最長ライン、つまりカリフォルニアのコルゲートとオークランド間およびエレクトラとサンフランシスコ間である。
アルミニウムは新しい送電に限定されず、最初銅導体が使用されたものへの追加でも見られる。したがって、ナイアガラの滝の発電所とバッファロー間の3番目の送電回路は新しいポールラインで20マイルの距離で各々が500,000円形ミルの面積の3つのアルミニウムケーブルで形成されたが、2つの以前の回路の6つの導体の各々は350,000円形ミルの銅だった。
アルミニウム導体を使用する送電システムのこの表は網羅的からほど遠い。アルミニウムはまた長い電気鉄道の変電所へのエネルギーの配電でも使用され、オーロラとシカゴで約40マイル離れた都市を接続する。アルミニウム導体の低いコストはまた都市での光と電力の配電で銅の代わりの採用につながっている。したがって、ニューハンプシャー州マンチェスターでは、地元電気ラインは耐候絶縁付きの500,000と750,000円形ミルのアルミニウムケーブル各約4マイルを含む。これらのケーブルの大きいものは約No. 7ワイヤの37本の撚り線を含む。
わかるように、送電線のための銅またはアルミニウムの選択は各金属での必要な長さと抵抗の導体のコストに主に依存するべきである。2つの金属の機械的および電気的特性がほぼ均衡しているため、銅を使用する特権のために非常に小さなプレミアムしか支払われるべきではない。すでに指摘したように、等しい長さと抵抗のアルミニウムと銅導体のコストはアルミニウムワイヤのポンドあたりの価格が銅の2倍の場合に等しい。何年かのほとんどの時間でアルミニウムの価格は銅の数字の2倍以下であり、利点はアルミニウム導体にあった。2つの金属がポンドあたりの同じ価格の場合、アルミニウムは等しい銅導体の半分しかコストがかからない。アルミニウムの価格が銅の50パーセント大きい場合、前者の金属の使用は25パーセントの節約を達成する。1901年初めに完成した新しいナイアガラとバッファローラインでは、銅のコストより約12パーセントの節約を達成したためアルミニウムが選ばれた。ここで言及されたアルミニウムラインのすべてはハートフォード近くの短いものを除いて1900年以降または中に完成された。ここで述べられたナイアガラの滝とバッファロー間のラインに関する事実のほとんどはvol. xviii., A. I. E. E., 520と521ページから引き出された。
等しい長さと抵抗のアルミニウムに対する銅導体の大きな直径は非常に高い電圧での交流送電で利点を持つ。高い電圧、例えば40,000またはそれ以上では、同じ回路の1つの導体からもう1つへの空気を通ったエネルギーの定常的なサイレント損失は量で大きくなり、さらには禁止的になる。この損失は他の要因が一定の場合、ラインの導体の直径が小さいほど大きい。これによりこの損失は送電される電力が小さいほど深刻になり、線路ワイヤの直径が小さいためである。ワイヤからワイヤへのエネルギーのサイレント通過はラインの長さで直接増加し、長距離送電の限界として動作する。
アメリカのいくつかの送電線でのワイヤのサイズと材料。
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| | | | | |長さ |
| | |ワイヤ| 各ワイヤ|ワイヤの| 送電 |
| 送電の場所。 |ライン|数。 |サイズ |金属。 |マイル。|
| |電圧| | B. & S. | | |
| | | | ゲージ。 | | |
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|カニオン・フェリーからビュート|50,000|6| 0 | 銅 | 65 |
|コルゲートからオークランド |40,000|3| 00 | 銅 |142 |
| | |3| 000 |アルミニウム|142|
|エレクトラからサンフランシスコ|40,000|3|471,034 C. M.| „ |147 |
|サンタアナ川からロサンゼルス|33,000|6| 1 | 銅 | 83 |
|アップル川からセントポール|25,000|6| 2 | „ | 25 |
|ウェランド運河からハミルトン|22,500|3| 1 | „ | 35 |
| | |3| 00 | „ | 37 |
|カニオンシティからクリップルクリーク|20,000|3| 3 | „ | 23-1/2|
|マドリードからブランド |20,000|6| 4 | „ | 32 |
|ホワイト川からデールズ |22,000|3| 6 | „ | 27 |
|オグデンからソルトレイクシティ|16,000|6| 1 | „ | 36-1/2|
|サンガブリエルキャニオンからロサンゼルス|16,000|6| 5 | „ | 23 |
|コロラド州ビクターへ |12,600|3| 4 | „ | 8 |
|ナイアガラの滝からバッファロー|22,000|6|350,000 C. M.| „ | 23 |
| „ „ „ |22,000|3|500,000 C. M.|アルミニウム| 20|
|ヤドキン川からセーラム |12,000|3| 1 | 銅 | 14.5 |
|ファーミントン川からハートフォード|10,000|3|336,420 C. M.|アルミニウム| 11|
|ウィルブラハムからラドローミルズ|11,500|6|135,247 C. M.| „ | 4.5 |
|ナイアガラの滝からトロント |60,000|6|190,000 C. M.| 銅 | 75 |
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アルミニウムラインは新しい送電に限定されず、最初銅導体が使用されたものへの追加でも見られる。したがって、ナイアガラの滝の発電所とバッファロー間の3番目の送電回路は新しいポールラインで20マイルの距離で各々が500,000円形ミルの面積の3つのアルミニウムケーブルで形成されたが、2つの以前の回路の6つの導体の各々は350,000円形ミルの銅だった。
北アメリカでの最長の3つの電気送電は現在アルミニウムラインを使用している。単一の最長ライン、エレクトラ発電所からサンフランシスコへの147マイルの距離でアルミニウムが使用される導体である。コルゲートとオークランド間の142マイル送電は3つのアルミニウムと3つの銅線ワイヤで実施される。長さの点で3番目の送電、シャウィニガン滝からモントリオールへの85マイルで3つのアルミニウム導体が使用される。
上で挙げた3つの送電は超常の長さだけでなく異常な大きな容量を持ち、エレクトラ発電所の発電機は10,000、コルゲート発電所は11,250、シャウィニガン発電所は7,500キロワット定格である。そのようなラインの重量とコストは非常に大きい。コルゲートとオークランド間の各々が144マイル長の3つのNo. 0000アルミニウム導体では総重量は約440,067ポンドで、ポンドあたり30セントで132,020ドルである。エレクトラからミッションサンホセへの100マイルはエレクトラからサンフランシスコへの147マイル送電の一部である。エレクトラとミッションサンホセセクションではアルミニウム導体は各々が断面積471,034円形ミルの3つの撚り線ケーブルを含み、総重量約721,200ポンドである。このセクションだけはこのラインの問題でポンドあたり30セントで216,360ドルである。シャウィニガン滝からモントリオールへの85マイルアルミニウムラインは各々が183,708円形ミルの面積の3つの撚り線導体で構成される。すべての3つの導体は総重量約225,300ポンドで、ポンドあたり30セントで67,590ドルである。
アルミニウムラインは新しい送電に限定されず、最初銅導体が使用されたものへの追加でも見られる。したがって、ナイアガラの滝の発電所とバッファロー間の3番目の送電回路は新しいポールラインで20マイルの距離で各々が500,000円形ミルの面積の3つのアルミニウムケーブルで形成されたが、2つの以前の回路の6つの導体の各々は350,000円形ミルの銅だった。
これらの例から、銅が以前の場所を失ったことがわかる。銅の主張を争っただけでなく、長距離送電線で最も顕著な場所を実際に獲得した。このアルミニウムの勝利は厳しい競争で勝ち取られた。決定的な要因は各金属での必要な長さと抵抗のラインのコストだった。
断面積の観点からアルミニウムは電気導体として銅に劣る。等しいサイズと長さのワイヤを比較して、アルミニウムは銅の伝導性の60パーセントしか持たないため、アルミニウムワイヤは同じ長さの銅ワイヤの等しい電気抵抗を提供するために断面の1.66倍を持つ必要がある。丸いワイヤは直径の平方で断面積が変わるため、アルミニウムワイヤは同じ伝導性を提供するために同じ長さの銅ワイヤの直径の1.28倍を持つ必要がある。
断面積の用語での電気導体としてのアルミニウムの劣等性は重量の用語での銅に対する優位性で相殺される以上である。アルミニウムの1ポンドを任意の長さのワイヤに引き延ばすと、同じ重量の銅の等しい長さのワイヤの断面積の3.33倍を持つ。これは銅の重量が立方フィートあたり555ポンドである一方アルミニウムは167ポンドだけであるため、同じ重量で後者の体積は前者の3.33倍である。アルミニウムワイヤは同じ重量で同じ長さを持ち銅ワイヤの3.33倍の断面積を持つため、前者の電気伝導性は後者の3.33 ÷ 1.66 = 2倍である。したがって、等しい抵抗でアルミニウムのワイヤは同じ長さの銅ワイヤの重量の半分だけである。この事実から、アルミニウムワイヤのポンドあたりの価格が銅の2倍未満の場合、前者が任意の必要な長さと電気抵抗の送電線のための安い金属であることが明らかである。
軟銅とアルミニウムワイヤの両方の引張強度は断面の平方インチあたり約33,000ポンドである。等しい長さと抵抗のワイヤではアルミニウムは等しい伝導性の軟銅ワイヤの面積が66パーセント大きいため66パーセント強い。このアルミニウムラインは銅の等しいものより強いが、前者の重量は後者の半分だけなので、ポール間の距離を増加させたり、ポール、クロスアーム、ピンのサイズをアルミニウムワイヤで減少させたりできる。このような点の例はナイアガラの滝とバッファロー間の古いと新しい送電線で見られる。2つの古い銅回路は1つのポールラインでの各々が350,000円形ミル断面の6つのケーブルで構成され、中程度のたるみで張られる。強い風でこれらの銅導体は揺れと振動し、そのポール、ピン、クロスアームがすべての取り付けを緩める傾向の振動に投げ込まれる。新しい回路はポール間で大きなたるみで張られた別々のポールラインでの3つの500,000円形ミルアルミニウム導体で構成され、これらの導体は強い風で垂直から大きな角度の平面に位置を取るが、その支持物の振動を引き起こさない。このケースのアルミニウムのたるみの銅導体のそれより大きい1つの理由は、前者を運ぶポールが140フィート離れている一方後者のポール間の距離は直線セクションで70フィートだけであるという事実である。
ポールのスパン長が等しい場合でもアルミニウムに銅より大きなたるみを必要とするのは、前者の金属が持つ大きな膨張係数から生じる。華氏32°～212°間でアルミニウムは長さの約0.0022を膨張し、銅は0.0016なので、長さの変化は前者で後者より40パーセント大きい。いずれの場合でも導体は最も寒い天候での収縮を提供するのに十分なたるみをポール間に持つ必要があり、アルミニウムワイヤの必要なたるみは通常温度での銅より大きいことがわかる。
純粋な空気ではアルミニウムは銅より酸化からさらに自由であるが、化学工場の煙、塩素化合物、または脂肪酸にさらされる場合金属は急速に攻撃される。この理由でアルミニウム導体はこれらの化学物質のいずれかにさらされる場所で防水被覆を持つべきである。ナイアガラの滝とバッファロー間のアルミニウムラインはその長さの大部分で裸であるが、前者の場所の大きな化学工場近くではワイヤはアスファルトムで処理されたブレイドで覆われる。アルミニウムはその最も一般的な不純物であるナトリウムと合金化されると湿った空気で急速に腐食され、注意深く避けるべきである。ここで言及されたアルミニウムのすべての特性は他に述べない限り純粋な金属に関連し、その合金は規則として送電線で考慮されないべきではない。アルミニウムがほとんどの他の金属に対して正電位であるため、そのジョイントのはんだ付けは裸ワイヤで達成するのが難しい結果の湿気からジョイントが徹底的に保護されない限り電解腐食を引き起こすのは確実である。通常の慣行ははんだの使用を避け機械的ジョイントに頼ることである。良いジョイントは接続されるワイヤの粗くした端を楕円断面のアルミニウムチューブを通って滑らせ、各端で1つのワイヤが出て、次にチューブとワイヤをねじり、各後者を他についてターン与えることで作られる。アルミニウムは電気的に溶接され、特定の温度でハンマリングでもできるが、これらのプロセスはライン建設に便利ではない。絶縁体に結ばれるときにアルミニウムワイヤに傷つけたり切ったりするのを避けるための特別な注意が必要である。アルミニウムタイワイヤを独占的に使用するべきである。固体ワイヤへのより大きな損傷の危険を避け、より大きな強度と柔軟性を取得するため、アルミニウム導体はケーブル形態で最も頻繁に使用される。これらのケーブルを構成するワイヤのサイズは広く異なるケーブル断面でNo. 6～9 B. & S.ゲージの範囲である。したがって、シャウィニガン滝とモントリオール間の183,708円形ミルのアルミニウムケーブルは7つのNo. 6ワイヤで構成され、エレクトラとミッションサンホセ間の471,034円形ミルのケーブルは37のNo. 9ワイヤを含む。ファーミントン川からハートフォードへの各336,420円形ミルのケーブルは例外的に大きな約No. 3ワイヤの撚り線を持つ。カリフォルニアの43マイルラインの記述から（vol. xvii., A. I. E. E., p. 345）、直径294ミルの固体アルミニウムワイヤ、またはNo. 1 B. & S.ゲージを破断のトラブルなしで使用できることがわかる。このワイヤはテストされ、その特性は次のように報告された：
直径、293.9ミル。マイルあたりポンド、419.4。25°Cでのミルフィートあたり抵抗、17.6オーム。25°Cでのマイルあたり抵抗、1.00773オーム。同サイズの銅に対する伝導性、59.9パーセント。破断のための6インチでのねじれ数、17.9。平方インチあたり引張強度、32,898ポンド。
このワイヤはまた自身の直径について6回巻き、次に巻き戻して再び巻くテストに耐えた。引張強度のテストで問題のワイヤは非常に小さな負荷で永久セットを取ったが、平方インチあたり14,000～17,000ポンドの点で永久セットが非常に急速に増加し始めた。これからアルミニウムワイヤとケーブルは最も寒い天候でそれらへの歪みが平方インチあたり約15,000ポンドを超えないようにポール間に十分なたるみを与えるべきである。このかなり低い安全作業負荷はアルミニウムが銅と共有する欠点である。与えられた数字からいずれの場合でもその断面積が減少しないように設置中のアルミニウム導体への歪みが最終強度の半分を超えないことが明らかである。
送電システムでのアルミニウムケーブル。
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| | | | | | 撚り線の |
| |ケーブル|各々の|各々の |ケーブル|サイズ。 |
| 場所。 | の数。|マイル|円形ミル|あたりの|B. & S. G. |
| | | | |撚り線数| 約。 |
+—————————-+——-+—–+——–+——-+———-+
|ナイアガラの滝からバッファロー| 3 | 20 | 500,000| .. | .. |
|シャウィニガン滝からモントリオール| 3 | 85 | 183,708| 7 | 6 |
|エレクトラからミッションサンホセ| 3 |100 | 471,034| 37 | 9 |
|コルゲートからオークランド | 3 |144 | 211,000| 7 | 5-6 |
|ファーミントン川からハートフォード| 3 | 11 | 336,420| 7 | 3 |
|メイン州ルイストン | 3 | 3.5| 144,688| 7 | 8 |
|マサチューセッツ州ラドロー | 6 | 4.5| 135,247| 7 | 7 |
+—————————-+——-+—–+——–+——-+———-+
この送電システムのアルミニウム導体を使用する表は網羅的からほど遠い。アルミニウムはまた長い電気鉄道の変電所へのエネルギーの配電でも使用され、オーロラとシカゴで約40マイル離れた都市を接続する。アルミニウム導体の低いコストはまた都市での光と電力の配電で銅の代わりの採用につながっている。したがって、ニューハンプシャー州マンチェスターでは、地元電気ラインは耐候絶縁付きの500,000と750,000円形ミルのアルミニウムケーブル各約4マイルを含む。これらのケーブルの大きいものは約No. 7ワイヤの37本の撚り線を含む。
わかるように、送電線のための銅またはアルミニウムの選択は各金属での必要な長さと抵抗の導体のコストに主に依存するべきである。2つの金属の機械的および電気的特性がほぼ均衡しているため、銅を使用する特権のために非常に小さなプレミアムしか支払われるべきではない。すでに指摘したように、等しい長さと抵抗のアルミニウムと銅導体のコストはアルミニウムワイヤのポンドあたりの価格が銅の2倍の場合に等しい。何年かのほとんどの時間でアルミニウムの価格は銅の数字の2倍以下であり、利点はアルミニウム導体にあった。2つの金属がポンドあたりの同じ価格の場合、アルミニウムは等しい銅導体の半分しかコストがかからない。アルミニウムの価格が銅の50パーセント大きい場合、前者の金属の使用は25パーセントの節約を達成する。1901年初めに完成した新しいナイアガラとバッファローラインでは、銅のコストより約12パーセントの節約を達成したためアルミニウムが選ばれた。ここで言及されたアルミニウムラインのすべてはハートフォード近くの短いものを除いて1900年以降または中に完成された。ここで述べられたナイアガラの滝とバッファロー間のラインに関する事実のほとんどはvol. xviii., A. I. E. E., 520と521ページから引き出された。
等しい長さと抵抗のアルミニウムに対する銅導体の大きな直径は非常に高い電圧での交流送電で利点を持つ。高い電圧、例えば40,000またはそれ以上では、同じ回路の1つの導体からもう1つへの空気を通ったエネルギーの定常的なサイレント損失は量で大きくなり、さらには禁止的になる。この損失は他の要因が一定の場合、ラインの導体の直径が小さいほど大きい。これによりこの損失は送電される電力が小さいほど深刻になり、線路ワイヤの直径が小さいためである。ワイヤからワイヤへのエネルギーのサイレント通過はラインの長さで直接増加し、長距離送電の限界として動作する。
第 XVI 章
伝送線路の電圧と損失
伝送線路の電圧は少なくとも60,000ボルトまで任意の値を取ることができ、導体の重量は選択された数値の2乗に反比例する。電力、線路長、損失が一定の場合である。線路の総圧力がどのようなものであれ、導体の重量は線路内の損失率に反比例する。
導体の最大損失と最小重量の場合とは、伝送されたエネルギーのすべてが線路導体の加熱に費やされる場合である。このようなケースは実際には決して起こらない。なぜなら、電力伝送の目的は有用な仕事を行うことだからである。
最小損失は理論的にはゼロであり、それに対応する導体の重量は無限大であるが、これらの条件は明らかに実際には達成できない。これらの極端な最小重量と無限大重量の間には、線路損失がゼロより大きく100パーセントより小さいすべての実用的伝送が存在する。
導体の重量と許容コストを決定するためには、それらで毎年失われるエネルギーのコストが要因の一つとして入る。この点で、最大負荷時の損失電力のパーセントと総エネルギー損失のパーセントの区別が考慮されるべきである。
線路損失は通常、最大負荷時に導体で消費される総電力のパーセントを指す。このパーセントは、線路電流と電圧が運転中のすべての期間を通じて一定である場合に、総エネルギー損失のパーセントに対応するが、これは実際の場合とはほど遠い。
伝送システムは、線路導体上で一定電圧または一定電流のいずれかで運転される可能性があるが、実用的ケースでは、これらの要因の両方が一定であることはほとんどない。これは、線路電圧と電流の積が、直流システムでは正確に、交流システムではおおよそ、伝送される電力の量を表すからである。実際の伝送システムでは、負荷、つまり電力需要は1日の異なる時間で多かれ少なかれ変動し、線路電圧または電流、あるいはその両方がそれに伴って変動しなければならない。
伝送システムが1つまたは複数の工場を運転するために使用される場合、1日の使用時間中の必要電力は25パーセントを超えない変動である可能性がある。しかし、一般的な電力供給システムを運転する場合、最大負荷は通常、各24時間ごとの平均負荷の2倍から4倍のどこかになる。このような変動負荷は、伝送線路の電圧または電流の対応する変化を意味する。
ヨーロッパではかなり長い伝送の数が直流の一定電流で実施されており、このようなシステムでは線路電圧は負荷に正比例して変動する。電気導体の電力損失は、その抵抗のオーム数（任意の温度で一定）とそれを通る電流のアンペア数に完全に依存するため、一定電流システムの線路損失は、負荷の変化がどれほど大きくても運転期間中に変化しない。この理由から、最大負荷時の線路電力損失のパーセントは、1日の総エネルギー損失のパーセントより通常小さい。
例えば、一定電流伝送線路が、1秒あたりにそれに供給される最大エネルギーの5パーセントを熱に変換するように設計されている場合、つまり最大負荷時の電力の5パーセントを損失する場合、線路が受ける電力が最大の半分に低下すると、損失のパーセントは0.05 ÷ 0.5 = 0.1、つまり10に上昇する。同様に、線路を通る電力が全量の4分の1に低下すると、線路損失は0.05 ÷ 0.25 = 0.2、つまり20パーセントに上昇する。
これらの事実から、広く変動する負荷を運転する場合、一定電流伝送線路の公正な全日効率は、最大負荷時の高い効率と組み合わせてのみ得られることが明らかである。これらの一定電流線路の損失に関する事実から、最大負荷時のこのような損失が常に小さいべきであるとは必ずしも結論づけられない。なぜなら、フル負荷で大きな損失が許容される場合、部分負荷時のさらに大きな損失率が悪いエンジニアリングを意味しないからである。
多くの大規模な水力発電所では、負荷が軽い1日の時間帯にダムの上に貯水容量が十分でないため、水の一部がダムを越えて流れる。これは、ほとんどの季節で余剰水のすべてを保持できないためである。したがって、すべての1日の水流が利用できない一定電流伝送の場合、線路損失が、さもなければ運ばれる最大負荷を減少させるほど大きくない場合、小負荷時の線路損失率がさらに大きいという事実はそれほど重要ではない。
ダムを越えて水が流れるか、線路の損失を補うためにホイールを通るかは明らかにほとんど違いがない。小負荷時にすべての水を貯蔵し、重負荷時に使用できる場合、一定電流線路の損失を最大負荷時で5パーセント以下のようなかなり低い値に抑えることが明らかに望ましい。
はるかに多い数の電気伝送は、ほぼ一定の線路電圧で実施され、主に交流であり、このような場合の線路電流は、交流線路の誘導の特定の結果を除いて、伝送される電力に正比例して変動する。線路抵抗は温度によるわずかな変動を除いて一定であるため、一定圧力線路のエネルギー損失率は、流れるアンペア数の2乗に比例して変動し、任意の負荷での損失率はそのアンペア数に正比例して変動する。
これらの線路損失と運ばれるアンペア数の関係は、電力、つまり仕事の率が電圧の数とアンペア数の積で表され、線路で実際に失われる電力が線路抵抗のオーム数とその中に流れるアンペア数の2乗の積で表されるという法則から導かれる。これらの各ケースで、線路に供給される電力はもちろんワットで測定され、各ワットは1/746馬力である。
これらの法則を適用すると、特定の一定圧力伝送線路の損失がフル負荷時にそれに供給される電力の10パーセントである場合、電力、およびその結果として線路のアンペア数が半分に減少すると、線路で熱として失われるワット数は（1/2）² = 1/4のフル負荷時の失われるワット数になる。なぜなら、流れるアンペア数が2で割られたからである。
しかし、フル負荷時に線路に供給される電力の量が50パーセント減少した一方で、線路で失われる電力がフル線路負荷の10パーセントの4分の1、つまり2.5パーセントに低下したため、半負荷時の線路で失われる電力は0.025 ÷ 0.5 = 0.05、つまりそれに供給される電力の5パーセントで表される。
この一定圧力伝送線路の効率がそれに供給される電力の減少とともに上昇するという事実、およびこのような線路の最大負荷が1日あたりほとんど1〜2時間以上続かないという事実が、最大負荷時の許容線路損失率を上げる傾向がある。
これは、最大負荷時の15パーセントの損失が、電気供給の通常の条件下で1日あたり線路に供給されるエネルギーの総量に対して平均5〜10パーセントの間の損失に容易に低下する可能性があるからである。伝送線路の実用的設計では、したがって、導体のサイズは、運転される最大負荷とその運転に利用可能な最大電力の関係、および調整の問題によって、さらには全日効率の考慮によって影響を受ける。
伝送システムが1日あたり1時間に運ばなければならない最大負荷が、水の貯蔵不足や貯蔵されたとしても水自体の不足のために、線路導体に供給できる電力のほぼすべてを必要とする場合、スチームプラントを設置するよりも最大負荷時の小さな損失のためにこれらの導体を設計することが望ましいかもしれない。
同様に、無負荷とフル負荷の間の伝送線路の末端電圧の変動が、発電端の圧力が一定の場合、フル負荷時の線路の電圧降下全体に相当するため、配電回路の圧力調整の要件が伝送導体の圧力降下を制限する。約110ボルトの通常の圧力の白熱灯による良好な照明サービスでは、変動をランプの圧力のどちら側も1ボルト以内に抑える必要がある。つまり、109から111ボルトの間である。
すべての長い伝送システムで一般的な電力供給には、配電線路が伝送回路に接続され、照明サービスの電圧が調整される1つまたは複数の変電所が必ず含まれる。照明回路の電圧変動の限界が非常に狭いため、伝送線路自体の圧力変化を適度な限界内に抑えたり、変電所で補償できるようにする必要がある。
これは、単一回路で伝送されたエネルギーが白熱灯と大型電動機の両方に配電される場合に特に当てはまる。なぜなら、このような電動機の始動と運転が伝送回路の電流と末端電圧の大きな変動を引き起こすからである。このような変動を変電所が容易に補償できる限界内に抑えるためには、伝送線路の損失が適度である必要があり、最大負荷時に供給される総電圧の10パーセント以内であることが多い。
発電所の設備容量とコストは線路損失率とともに上昇し、それによってその経済的な量を制限する。水力発電所の伝送線路に供給される毎馬力に対して、水車に1馬力以上、発電機に少なくとも1馬力、そしてしばしばステップアップ変圧器にさらに1馬力の容量が必要である。最大負荷時の線路で失われる追加の毎馬力は、発電プラントをそのフル容量まで働かせる場合、水車に1馬力以上、発電機に1馬力、変圧器に1馬力の追加を意味する。
発電所のコストが最大線路損失の上昇とともに増加するため、線路のコストのさらなる節約が対応する発電所のコストと運転の追加によって相殺される以上の点に達する可能性がある。この点、つまり線路損失のパーセントで示される点がどこにあるかは、各ケースの要因に依存し、その中で重要なのは伝送線路の長さである。
伝送線路の導体の初回コストとその中で毎年熱として失われるエネルギーの量の間の最大経済のための正確な関係を固定するための多くの努力がなされてきた。このケースに適用される最もよく知られた声明は、1881年に英国協会で読まれたケルビン卿の論文でなされたものである。そこで述べられた規則によると、伝送線路の導体の最も経済的なサイズは、その初回コストに対する年利がそれらで毎年無駄にされるエネルギーのコストに等しいものである。
伝送システムが線路導体でエネルギーを無駄にする唯一の目的で設計される場合、この規則は正確に適用される。なぜなら、それは単に無駄にされるエネルギーのコストとそれが無駄にされる導体のコストに対する利子を最小にする方法を示すからである。実際には、伝送システムは主にエネルギーを供給するために意図されており、無駄にするためではない。しかし、供給され無駄にされる全エネルギーの割合（これがまさに知りたいこと）については、ケルビンの規則は考慮しない。
彼の規則によると、電力が開発される場所での電力コストが安いほど、それを市場に運ぶ導体に支払うべき額は少なくなる。明らかな真実は、特定の地点での電力開発コストが低いほど、それを市場に運ぶ線路に投資できる額が多いということである。電力がその源で全くコストがかからない場合、この規則が正しければ、伝送線路を建設する価値はない。
ケルビン卿の規則の修正版が提案されており、それによると、導体のコストに対する利子とその中で失われるエネルギーの年額が等しくなるべきであり、ここでの額とはエネルギーが売れる額を意味する。この規則は線路導体の投資を大きすぎるものにするだろう。
供給されたエネルギーの生産と伝送の全コストは、供給がなされる地点で開発される同量のエネルギーのコストより大きくないべきである。この生産と伝送の全コストにおいて、線路導体の投資に対する利子は項目の一つに過ぎない。
おそらく、すべての伝送に適用される導体のコストとその中のエネルギー損失の間の最も経済的な関係のための正確な規則を述べることは不可能である。しかし、ほとんどのケースで導体の重量の最大限界を設定できる。この限界は、線路導体の投資に対する年利と減価償却費、およびすべての他の開発と伝送のコストを、伝送されたエネルギーの総コストを供給地点での同量のエネルギー開発コスト以上に上げないようにすべきである。
伝送導体の最大投資が上記の方法で適切に制限される一方で、この最大限界がすべてのケースで達成されるべきであるとは決して結論づけられない。実際のケースの変動する要件において、問題は可能な限り最低のコストで固定量の電力を供給すること、または使用地点での開発コスト以下の単位コストで可能な限り最大量の電力を供給することかもしれない。しばしば伝送システムは現在の要件を超える可能な容量を持ち、将来のビジネスでは重すぎない線路が現在の収益に不合理な利子負担をかけるかもしれない。
上記の考慮は、運転される電圧が決定された後の伝送線路の導体の設計に適用される。この電圧の選択に影響を与えるべき事実のセットは全く異なる。ある電圧で実施された場合に選択される線路損失の任意のパーセントで全く非実用的である伝送が、より高い電圧と線路導体のいくつかのサイズのいずれかで利益を生むビジネスを表す可能性がある。実用的コストの線路で供給できる電力が、ある電圧で運転された場合、目的のために小さすぎる可能性がある一方で、より高い電圧での利用可能な電力は十分かもしれない。
与えられた電力が与えられた最大損失率で伝送される場合、導体の重量はそれらの長さの2乗に比例して増加し、フル運転電圧の2乗に反比例して減少する。
したがって、この伝送の長さが2倍になると、導体の重量は電圧が同じままで4倍にされなければならない。しかし、電圧が2倍になり線路長が変更されない場合、導体の重量は4で割られなければならない。伝送の長さと電圧が一緒に下げられたり上げられたりする場合、電力と損失が一定の場合、導体の重量は固定される。
この最後の規則の例は、10マイルの距離を10,000ボルトで、50マイルの距離を50,000ボルトで与えられた電力を伝送するように設計された線路の場合から引き出せ、損失率が一定の場合、各線路の総導体重量は同じになる。
電圧と線路長の均一な比率が、変化しない導体の効率で与えられた電力を伝送するための一定の導体重量を許容する一方で、他の考慮がすぐにこうして得られる利点を制限する。
これらの考慮のうち重要なものは、線路導体の機械的強度、線路絶縁の困難、空気を通じた導体間の損失、発電機電圧の限界、変圧器のコストである。
上記で言及された10,000ボルトでの10マイル伝送が2本のNo. 1/0銅線回路を必要とする場合、これらの線の総重量は（5,500 × 10 × 2 × 320） ÷ 1,000 = 35,200ポンドで表され、ポール間のたるみを考慮して1マイルあたり5,500フィートの線を許容し、320ポンドは裸のNo. 1/0銅線の1,000フィートあたりの重量である。
線路の長さが50マイルに上げられると、2線回路は5,500 × 50 × 2 = 550,000フィートの単一導体を含み、電圧が同時に50,000に上げられるため、導体の総重量は以前のように35,200ポンドになる。したがって、50マイル線路の単一導体の1,000フィートあたりの重量は64ポンドだけである。
B. & S.ゲージのNo. 7銅線は1,000フィートあたり63ポンドの重量を持ち、50マイル線路に必要なものに最も近い通常のサイズである。このサイズの線を伝送線路に張るのは悪い政策だろう。なぜなら、機械的に弱すぎて嵐の天候で破損が頻繁に起こる可能性があるからである。この小さな線を50マイル線路に使用することで導入される信頼性の欠如の要素は、最終的に大きな導体よりはるかにコストがかかる。
一般に、No. 4 B. & S.ゲージ線は、良好な機械的強度を与えるために長い伝送線路で使用される最小のものべきであり、このサイズは同等の長さのNo. 7線の重量のちょうど2倍である。ここに、線路長とともに電圧を増加させることで得られる利点の実用的限界の一つがある。
線路電圧が上がると、線路絶縁への負担が急速に増加し、50,000ボルトで運転される回路の絶縁体は、10,000ボルト回路のものより大きくはるかに高価なものでなければならない。このように、長い線路で非常に高い電圧を使用することで導体で達成される節約の一部が、絶縁の増加コストによって相殺される。
非常に高い電圧で伝送線路を運転するのに伴うもう一つの欠点は、線間の空気を通じた電流の静かな通過によるエネルギーの連続損失である。この損失は、通常の線間距離で40,000から50,000ボルトの圧力に達した後、急速に増加する。このような損失を適度な限界内に抑え、非常に高い電圧の回路でのアークの確率を減少させるために、10,000ボルトで電流を運ぶ導体間の18インチまたは2フィートの距離を、50,000ボルトで運転される回路では6フィート以上に増加すべきである。
導体間のこのような距離の増加は、ポールとクロスアームのコストを大きくする。なぜなら、それらをさもなければ必要とされるより大きくするか、ポールあたり2本または3本の線に制限することでポール線の数を増加させるからである。これらの追加費用は、非常に高い電圧の採用とそれに伴う導体のコスト節約のために支払わなければならないペナルティのもう一つの部分を形成する。
装置は運転される電圧が増加するにつれて高価になり、絶縁材料のコストとそれらが占めるスペースのために、鉄部のサイズと重量を追加する。
交流発電機は13,500ボルトまで発展するものが得られるが、このような発電機は2,000から2,500ボルトで運転される同等の電力の他のものよりコストがかかる。これらの後者の電圧は、都市や町の配電回路とサービス変圧器を運転するのに通常望ましい最高のものであり、したがって伝送線路で2,500ボルトを超えるものが使用される場合、変電所でステップダウン変圧器が必要である。10マイルを超える伝送では、10,000から12,000ボルトでの運転による線路導体の節約が、この圧力用に設計された発電機とステップダウン変圧器の追加コストを通常相殺する以上になる。伝送の電圧が配電のものを超える場合、前者の電圧を少なくとも10,000または12,000まで上げるのが一般的には望ましい。
上記の電圧用に設計された発電機のコストが、低電圧発電機プラス変圧器のそれより少ないため、これらの圧力が超えないシステムではステップアップ変圧器を通常省略すべきである。13,000から15,000ボルトを超える交流圧力では、ステップアップ変圧器を一般的に使用しなければならない。伝送電圧を15,000以上に運ぶ場合の変圧器の追加コストを相殺する以上の線路導体の重量の節約のために、この電圧をほとんどのケースで25,000まで押し上げるべきである。
直流での電力伝送は、発電機のコストが線路電圧にかかわらずほぼ同じであり、変圧器が必要ないという利点がある。このような伝送はヨーロッパでは一般的であるが、アメリカ合衆国ではまだほとんど足場がない。直流発電機の均一なコストの理由は、それらが所望の線路電圧を与えるために直列に接続され、各機械の電圧が3,000または4,000以下に抑えられるという事実にある。直流発電機の低コストと変圧器の不在に対する部分的な相殺として、電力だけでなく照明用の電流が配電される場合の変電所のモーター発電機の必要性がある。
非常に高い電圧の採用によって必要とされる伝送システムのコストへのさまざまな追加にもかかわらず、これらの追加は、30、50、または100マイル長の線路での導体のコスト節約によってはるかに相殺される以上になる。実際、25,000から50,000の範囲の電圧によってのみ、これらの距離の最大のものと140マイルを超える他のものが伝送線路によって成功裏にカバーされた。60,000ボルト以上では、伝送線路の運転での実用的経験はわずかである。
電気伝送線路の導体のサイズを決定するための計算はすべて、オームによって発見された基本法則に基づいており、それは任意の瞬間に回路に流れる電流が電流を引き起こす電気圧力を回路自体の電気抵抗で割ったものに等しい、つまり電流 = 圧力 ÷ 抵抗である。
この公式に、実用的使用のための便利なサイズのために選択された単位を代入すると、アンペア = ボルト ÷ オームになり、オームは固定寸法の特定の標準銅棒の電気抵抗を統一として取ったものである。
アンペアは、1オーム導体の端子間で1ボルトの単位圧力で維持される単位電流の流れである。この公式を伝送線路の計算に適用する場合、ボルトは所望のアンペアの電流を任意の特定の線路の抵抗のオーム数で強制するために必要な電気圧力を表し、これらのボルトは線路が運転される総電圧との必要または固定の関係がない。したがって、伝送システムの総電圧が10,000の場合、線路で電流を強制するために500、1,000、または2,000ボルトを使用することが望ましく、これらの数の1つはフル負荷を表すアンペア数が流れるときの線路導体の実際の降下または損失ボルトを表す。すべての電気回路の法則として、電気エネルギーが熱または仕事に変換される率がそのいくつかの部分の各々でその中の電圧降下に正比例するという事実から、フル負荷時の10,000ボルト伝送線路の導体での500、1,000、または2,000ボルトの降下は、それぞれ5から10または20パーセントの電力損失に対応する。このケースで線路に失われる圧力として10,000ボルトの他の部分を選択できるのは明らかである。明らかに、与えられた電力伝送のためのフル負荷時の線路導体で失われるべきボルト数の公式は与えられないが、この数は線路効率、調整、および利用可能な電力と必要負荷の比率の項目の考慮によって決定されなければならない。
線路導体の最大損失ボルトを決定し、フル電圧、最大負荷時に線路に供給される電力、およびその結果としてアンペア数を認識した場合、導体の抵抗は公式、アンペア = ボルト ÷ オームによって計算できる。したがって、2,000,000ワットまたは2,000キロワットを20,000ボルトの2線伝送線路に供給し、線路導体で10パーセントまたは2,000ボルトの降下の場合、各線のアンペアは2,000,000 ÷ 20,000 = 100でなければならない。線路の2導体の合計抵抗は100 = 2,000 ÷ オームから見つかり、オームはしたがって20である。2導体の合計長さが200,000フィートの場合、20マイル弱の伝送線路に対応し、これらの導体の抵抗は20 ÷ 200 = 0.1オーム/1,000フィートでなければならない。ワイヤテーブルから、温度90°Fで直径0.3249インチのNo. 1/0銅線、B. & S.ゲージが0.1001オーム/1,000フィートの抵抗を持ち、低温では少し少なく、これが要求されるサイズであるのは明らかである。明らかに、20オームの抵抗は線路の長さとは全く独立であり、他の要因が一定の場合、さまざまな距離の伝送にさまざまなサイズの線が必要である。
所望の伝送導体の断面積を見つけることがしばしば便利であり、これは公式、アンペア = ボルト ÷ オームでオーム数の表現を代入し、以前のように解くことでできる。
すべての導体の電気抵抗はその長さに正比例し、その断面積に反比例し、導体が構成される材料に依存する定数要因も持つ。この定数要因は任意の材料、例えば純鉄、銅、またはアルミニウムに対して常に同じであり、通常、その材料の直径0.001インチ、長さ1フィートの丸線の実測抵抗として取られる。このような線は、その直径の2乗が依然として統一であるため、1サーキュラーミル断面積を持つと言われる。つまり、1 × 1 = 1。同様に、ワイヤの断面積による便利な指定のために、任意のサイズの各丸線は、その直径の2乗を0.001インチ単位で測定したサーキュラーミルで等しい断面積を持つと言われる。したがって、直径0.1インチの丸線は100 × 100 = 10,000サーキュラーミルを持ち、直径1インチの丸線は1,000 × 1,000 = 1,000,000サーキュラーミルを持つ。線のサーキュラーミルは平方インチでの断面積を表現しないが、これは1サーキュラーミルの線の抵抗が統一として取られるため必要ない。明らかに、すべての丸線の面積はそれらのサーキュラーミルと同じ比率である。
上記から、任意の丸導体の抵抗は公式、オーム = l × s ÷ サーキュラーミルで表され、オームは導体の長さのフィートを表すl、sは導体と同じ材料の線の実測抵抗だが断面積1サーキュラーミル、長さ1フィートであり、サーキュラーミルは要求される導体のそれである。公式、アンペア = ボルト ÷ オームでオームの代わりにl × s ÷ サーキュラーミルを代入すると、方程式、アンペア = ボルト ÷ (l × s ÷ サーキュラーミル)が得られ、これはサーキュラーミル = アンペア × l × s ÷ ボルトに簡略化される。提案された伝送に対して、この公式の量のすべてが所望の線路導体のサーキュラーミルを除いて知られている。定数量sは銅に対して約10.8であるが、計算では11として便利に使用され、これは線路線に存在する可能性のある不純物の影響を少し許容する。
上記で言及されたケースで、2,000キロワットが20,000ボルトで伝送線路に供給され、フル負荷時の損失が2,000ボルトの場合、サーキュラーミルの公式で解決できる。丸銅線の抵抗を直径0.001インチ、長さ1フィートで11オームとし、このケースの100アンペア、2,000ボルト、200,000フィートを公式に代入すると、サーキュラーミル = (100 × 200,000 × 11) ÷ 2,000 = 110,000になる。この110,000の平方根は、このケースの条件に正確に合う銅線の直径を与え、またはより実用的コースとして標準ワイヤサイズのテーブルを参照すると、直径0.3249インチのNo. 1/0線、B. & S.ゲージが105,500サーキュラーミル、つまり計算された数の約5パーセント少なく、求められたものに最も近いサイズである。このNo. 1/0線はフル負荷時の線路損失を約10.5パーセント与え、最初に選択された損失より0.5パーセントだけ多く、このケースの線路に採用すべきである。
ちょうど使用された公式は一般的に適用され、銅線と同じくアルミニウムや鉄や他の金属の線路の計算に適用できる。公式を所望の金属に使用するためには、その金属の丸線の実測抵抗、つまり長さ1フィート、直径0.001インチのオーム数が知られ、公式のsに代入されなければならない。この純アルミニウムの比抵抗は約17.7、軟鉄は約60、硬鋼は約80オームである。これらの値を公式のsに使用すると、それぞれこれらの3物質の線のためのサーキュラーミル面積が得られる。同様に、他の金属や合金の比抵抗が知られた場合、公式に適用できる。
上記の計算は、これらの回路が一定電流、一定圧力、または圧力と電流の両方が可変の場合のすべての2線回路に正確に適用される。回路が交流を運ぶ場合、特定の他の要因が考慮を必要とするかもしれない。ほとんどすべての交流伝送は3相3線、または2相4線、または単相2線回路で実施される。全数のこのような伝送のうち、3相3線回路のものが多数を占め、次に2相伝送の数が来、最後に単相電流の伝送が少数である。伝送の電力が計算され、線路損失のパーセントが基づく直流回路の電圧は、そこでの最大電圧であるが、これは交流回路では真ではない。交流回路の電圧とアンペアは両方とも、線に沿って反対方向の最大値の間で常に変動している。この事実から、電圧とアンペアの両方が最大に上昇するのと同じくらい頻繁にゼロに低下する。交流の理論の本で完全に証明されているように、交流発電機の特定の理想的構造とそれらが接続される回路の特定の条件で、これらの回路の常に変化する電圧とアンペアの等価または仮想値と呼ばれるものは、それぞれの最大値の0.707である。あるいは、この命題の逆を述べると、これらの回路の最大電圧とアンペアはそれぞれの等価または仮想値の1.414倍に上昇する。これらの最大と仮想の電圧とアンペアの関係は実際の回路と発電機でいくらかの変動を受けるが、これらの要因の仮想値は、適切な電圧計と電流計で測定され、伝送回路の設計で重要であり、最大値よりむしろ仮想値である。交流回路の電圧またはアンペアが言及される場合、これらの要因の仮想値は、他の値が指定されない限り通常意図される。したがって、一般的に述べられるように、単相回路の電圧はその2導体間の仮想ボルト数、2相回路の電圧はその4導体の各ペア間の仮想ボルト数、3相回路の電圧はその3導体のいずれか2つ間の仮想ボルト数である。
直流には存在しないいくつかの要因が、交流が流れる導体の損失に影響を与える傾向があり、このような効果の重要性は後で述べられる。このような効果にもかかわらず、上記で議論された公式を交流の伝送線路の計算に適用すべきであり、必要なら結果の適切な修正を行うべきである。修正に関するこの条件で、交流回路の仮想電圧とアンペアを、直流回路の実際の電圧とアンペアと同じように公式で使用できる。したがって、上記の例に戻ると、2,000キロワットが20,000ボルトで伝送線路に供給され、損失が2,000ボルトの場合、キロワットは交流で表される実際の仕事率として取り、述べられた電圧を線路の仮想電圧とする。仮想アンペアは今、直流の実際のアンペアであったように100になり、単相交流伝送の線路導体のサイズはしたがって直流線と同じ1-0である。伝送が2相4線システムで実施される場合、これらの線の各々の仮想アンペアは50になり、電力が2ペアの導体の間で均等に分けられ、これらの4線の各々はNo. 1/0線のちょうど半分のサーキュラーミル断面積を持つべきである。要求される線はしたがって52,630サーキュラーミルのNo. 3 B. & S.ゲージであり、これが最も近い標準サイズである。重量では、2本のNo. 1/0線と4本のNo. 3線はほぼ等しく、単相と2相線路で同じ損失を与えるために正確に等しくすべきである。3相回路で上記の伝送を行うために、3導体の各々は損失が以前と同じままで単相回路の2導体の各々の断面積のちょうど半分を持つべきであり、最も近い標準サイズの線は2相線路のように再びNo. 3である。これは自明の命題ではないが、証明は主題の理論に捧げられた本で見つかる。上記から、単相と2相線路が他の要因が同じ場合等しい導体重量を必要とする一方で、3相線路の導体重量は他の2つのいずれかの75パーセントだけである。交流回路のサイズと重量を上げる特殊要因を無視すると、単相と2相線路は等しい電力、電圧、線路損失の直流伝送と同じ導体重量を必要とする。これらの各ケースで、公式の要因lは直流線路の1ペアの全長、または交流線路のいずれかの伝送距離の2倍を示すことに注意すべきである。
任意の導体のサーキュラーミルを計算したら、その1,000フィートあたりの重量をワイヤテーブルで容易に見つけることができる。一部のケースでは、各々のサーキュラーミルを見つけずに伝送線路の導体の重量を計算することが望ましく、これは上記の公式の修正でできる。1,000,000サーキュラーミルの銅線は長さ1フィートあたりほぼ3.03ポンドの重量を持ち、したがって任意の銅線の重量は公式、ポンド = (サーキュラーミル × 3.03 × l) ÷ 1,000,000で見つけることができ、ポンドは導体の総重量を示し、lはその総長さ、サーキュラーミルはその断面積である。この公式はサーキュラーミル = (1,000,000 × ポンド) ÷ (3.03 × l)に簡略化され、このサーキュラーミルの値が任意の線の断面積の上記公式に代入されると、結果は(1,000,000 × ポンド) ÷ (3.03 × l) = (l × アンペア × 11) ÷ ボルトになり、この最後の等式の要因の転置はポンド = (3.03 × l² × アンペア × 11) ÷ (1,000,000 × ボルト)の形になり、これは直流、単相、または2相4線線路の銅導体の総重量のための一般公式であり、1ペアの長さl、流れる総アンペア、導体で失われるボルトが知られている場合である。
上記で考慮された伝送のlの値200,000、アンペア100、ボルト2,000をちょうど見つけた総重量の公式に代入すると、結果はポンド = (3.03 (200,000)² × 100 × 11) ÷ (1,000,000 × 2,000)になり、これをポンド = 66,660に簡略化し、直流、単相または2相電流のいずれかでの伝送に必要な銅線の重量である。3相電流では、この伝送の線路の銅の重量はちょうど見つけた66,660ポンドの75パーセントである。1つまたは複数の2線回路が直流または単相伝送に使用され、1つのこのような回路が使用される場合、各2線の重量は明らかに33,660ポンドである。2相伝送では2つまたは複数の2線回路が使用され、2つの回路の場合、すべての4線が通常の場合のように等しい断面積である場合、各々の総重量は16,830ポンドである。伝送が1つの3相回路でなされる場合、3線の各々の重量は16,830ポンドであり、それらの合計重量は50,490ポンドの銅である。これらの伝送線路の各々で、1方向の単一導体の長さは100,000フィート、または単一2線回路の線の長さの半分である。2線線路の場合、計算された各導体の重量は66,660 ÷ 200 = 333.3ポンド/1,000フィートになる。2相4線線路と3相3線線路の場合、各導体の重量は16,830 ÷ 100 = 168.3ポンド/1,000フィートである。裸銅線の重量テーブルの検査で、No. 1-0 B. & S.ゲージ線が1,000フィートあたり320ポンドの重量を持ち、計算された333ポンドの重量に最も近いサイズであり、2線回路に選択すべきであることがわかる。また、1,000フィートあたり159ポンドの重量のNo. 3線が計算された168ポンドに最も近いサイズであり、したがって3線と4線回路で2相と3相伝送に使用すべきである。直流、単相、2相、または3相伝送線路はもちろん所望のように多くの回路に分割でき、これらの回路は全電力の等しい部分を運ぶように設計されるかされないかである。いずれの場合も、いくつかの回路の合計重量は上記で見つけたものに等しく、電力、損失、線路長の条件が一定であるべきである。これらの公式が明らかにすべきように、伝送線路の導体のサーキュラーミルと重量の計算の公式は同じサイズの線の選択につながる。
ボルト損失、長さ、線路導体の重量の関係を支配するいくつかの法則が上記の公式から容易に導かれる。明らかに、サーキュラーミルと線路導体の重量は与えられた電流を運ぶときそれらで失われるボルト数に反比例して変動し、このボルト数を2倍にするとサーキュラーミルと導体の重量が半分に減少する。線路の長さが変化する場合、要求される導体のサーキュラーミルはその長さに正比例して変化するが、これらの導体の重量はその長さの2乗に比例する。したがって、線路導体の長さが2倍になると、各導体の断面積のサーキュラーミルも2倍になり、各導体は同じ電流とボルト損失で以前の4倍の重さになる。導体の長さとそれらで失われるボルト数が同じ率で変動する場合、各導体のサーキュラーミルは一定のままであり、その重量は伝送距離に正比例して増加する。したがって、同じサイズの線路線で、失われるボルト数と総重量の両方が50マイル伝送の2倍の100マイル伝送である。導体の総重量を一定に抑える場合、それらで失われるボルト数はその長さの2乗に比例して変動し、そのサーキュラーミルは長さに反比例して変動しなければならない。したがって、伝送線路の長さが2倍になると、一定重量の導体のサーキュラーミルは2で割られ、ボルト損失は以前の4倍になる。これらの規則の各々は、線路のワットと損失率が一定であると仮定する。
上記の原則と公式は直流または交流の伝送線路の設計に適用されるが、交流が使用される場合、特定の追加要因を考慮すべきである。これらの要因の一つは誘導であり、それによって交流回路で常に存在し、通常の電圧に反対する反電動勢を意味する。誘導の効果の一つは、導体のオーム抵抗によってもなされるように、電力が変電所に供給される線路の端での電圧を低下させることである。線路抵抗による電圧損失と誘導による損失の間には、前者が電気エネルギーの熱への実際の変換を表す一方で、後者はエネルギーの量の物質的な減少なしの圧力損失だけであるという非常に重要な違いがある。伝送線路のエネルギー損失がその抵抗に正比例して依存する一方で、誘導による圧力損失は導体の抵抗とは無関係に個々の線の直径、回路の長さ、導体間の距離、および電流が通過する秒あたりのサイクル数または周波数に依存する。これらの事実の結果として、伝送線路の抵抗または重量の計算で誘導を要因として使用することは望ましくなく、または実用的でない。通常構築された伝送線路では、誘導による電圧損失は一般にフル負荷時の導体の抵抗によるボルト損失の25から100パーセントの範囲である。この誘導を通じた損失は、すべての回路の抵抗が同じままで個々の線の直径を減少させることによって、線をより近くに持ってくることによって、より小さな周波数を採用することによって低下できる。実際には、誘導による失われるボルトは、発電所の発電機または変圧器を要求される圧力で変電所にエネルギーを確実に供給する電圧で運転することで補償される。したがって、特定のケースでは、発電端の有効電圧が10,000の場合、線路で10パーセントの最大損失でエネルギーを伝送することが望ましく、変電所での圧力が9,000ボルトになる。この線路の誘導による圧力損失が1,000ボルトであることがわかると、発電機は11,000ボルトで運転すべきであり、これは誘導による1,000ボルトの損失を考慮し、線路に有効電圧10,000を残し、線路抵抗による電力の10パーセント損失があるときに変電所に9,000ボルトの圧力でエネルギーを供給することを許す。
誘導は線路に反電動勢を設定するだけでなく、発電機または変圧器によってそれに供給される電圧を減少させるだけでなく、供給されるワット数を仮想供給電圧で割ったものによって示されるより大きな電流を線路に流す原因となる。電流増加の量は線路自体の誘導とその接続装置の特性の両方に依存する。ランプとモーターの混合負荷のシステムでは、誘導がかなり確実にあるが、その正確な量を事前に決定するのは非常に難しい。しかし、このようなシステムの経験は、誘導による線路電流の増加が、誘導が存在しない場合に流れる電流の5パーセントを超えず、通常10パーセント未満であることを示す。この誘導による追加電流の流れを、オーム抵抗によるボルト損失の増加なしに提供するために、線路導体の断面積を追加電流のパーセントに等しいパーセントで拡大しなければならない。これは、単相、2相、または3相交流の通常の伝送の場合、上記で与えられた公式で計算された各線路線のサーキュラーミルを5から10パーセント増加すべきことを意味する。このような線の断面積の増加はもちろん伝送の導体の総重量の同様の上昇を伴う。公式で計算された断面積の線が交流伝送に使用される場合、通常のケースの誘導は、誘導が存在しない場合のものより5から10パーセントの仮定された線路電力損失を上げる。したがって、フル負荷時の電力損失10パーセントのために公式で計算された導体で、通常のケースの誘導はこの損失を10.5から11パーセントのどこかに上げる。一般に、誘導は導体の計算されたサイズまたは重量、あるいはその中の電力損失を10パーセント以上増加させることはめったにないと言える。
交流が導体に沿って流れるとき、その密度は各断面積のすべての部分で均一ではなく、電流密度は導体の中心で最小で、外側表面に向かって増加する。この交流の各断面積への不均一な分布は、導体の直径または厚さと交流の周波数とともに増加する。この作用により、任意の導体のオーム抵抗は交流に対して直流のものよりやや大きくなる。なぜなら、前者の電流で導体の全断面積を利用できないからである。幸いなことに、伝送線路の線のサイズに関する限り、この交流の断面積への不均一な分布の実用的重要性は通常わずかである。なぜなら、関係する通常の電流周波数と導体の直径が言及された効果に大きな数値を与えるほど大きくないからである。したがって、秒あたり60サイクルは伝送線路の電流に一般的に使用される最高周波数である。4-0線と命名された電流周波数で、交流に対するオーム抵抗の直流に対する増加は0.5パーセントに達しない。
上記の公式で伝送線路のサーキュラーミルまたは重量を計算したら、交流の使用によって要求されるこの重量の唯一の物質的な増加は誘導によるものである。この増加は将来の負荷の不確実な要素のために事前に正確に計算できないが、経験はそれが導体の計算されたサイズまたは重量の10パーセントを超えることはめったにないことを示す。
第十七章
送電回路の選択。
送電線路の最大電力、電圧、損失、および導体の重量が固定された場合、線路を構成する回路の数、およびこれらの回路相互の関係が決定されるべきである。
実際には、2点間の単一の送電線路における回路の数と関係については、大きな違いが存在する。この事実を説明する事例として、エレクトラ発電所からサンフランシスコまでの147マイルの送電と、ミズーリ川のカノン・フェリーからモンタナ州ビュートまでの65マイルの送電がある。エレクトラ発電所では、発電機容量は10,000キロワットであり、サンフランシスコへの送電は、断面積471,000サーキュラー・ミルのアルミニウム導体3本からなる1つの回路を運ぶ単一のポール線路で行われている。カノン・フェリーの発電機からは、合計容量7,500キロワットのエネルギーの一部が別線でヘレナに送られ、ビュートへの送電は40フィート離れた2本のポール線路で行われている。これらの2本のポール線路のそれぞれは、断面積105,600サーキュラー・ミルの銅導体3本からなる単一の回路を運んでいる。これら2つの発電所の慣行の違いは、電圧がそれほど離れていないという事実によってさらに強調される。カノン・フェリーとビュートの線路は50,000ボルトで、エレクトラとサンフランシスコの線路は60,000ボルトで運転されている。
送電線路の建設における経済性は、単一回路の使用を強く示唆する。なぜなら、これはポール線1本だけを意味し、通常は電力線用のクロスアームがポールあたり1本だけで、ピンと絶縁体の数が最小限で、導体の設置労力が最小だからである。単一回路に有利な点として、すべての回路の代替として採用される可能性のあるすべての回路の重量と同じ重量を持つため、各導体の機械的強度が最大になるという議論もある。銅の場合、各導体の断面積が83,690サーキュラー・ミル未満、つまりNo. 1 B. & S.ゲージワイヤに相当する場合、機械的強度の議論は特に強力である。なぜなら、No. 1ワイヤの1回路が必要な重量を持つ場合、代わりに2つの等しい回路を使用すると、各導体のサイズが41,740サーキュラー・ミルのNo. 4ワイヤに縮小され、これは機械的理由で長距離線路で使用可能な最小のワイヤだからである。これらの単一回路の議論に反対するのは、2つ以上の回路の方が信頼性が高いと考えられること、修理のしやすさ、規制の有効な手段、そして導体サイズの縮小によるインダクタンスへの影響に基づく議論である。
各導体のサイズが縮小されるにもかかわらず、同じ送電に2つ以上の別々の回路を使用することは、信頼性を高めると考えられることがある。なぜなら、1つの回路に断線や短絡が発生した場合、他の回路が利用可能だからである。送電導体の断線は、風圧、木の倒壊、または氷の蓄積などの機械的応力だけによるか、あるいは導体間のアークによる溶融によるものである。小さい導体は大きい導体より断線や溶融しやすくなるため、大きい導体の単一回路の代わりに2つ以上の回路を使用すると、この種のトラブルが増加する傾向がある。したがって、2つ以上の回路は導体の断線が実際に発生した後の継続運転の機会を増やすが、大きい導体の単一回路を使用すると断線の可能性が低くなるようである。
送電線路の修理、例えば破損した絶縁体の交換や焼損したポールの設置が必要な場合、修理中に1つを使用停止にできるように2つ以上の回路を持つことは確かに便利である。しかし、導体間の距離が接触やアークの開始の可能性がないほど離れていれば、高電圧回路でも使用中でもそのような修理は可能である。そのような距離を得るためには、ポールあたり1回路だけとし、それでもこのタイプの建設で一般的なものより多くのスペースを提供すべきである。カノン・フェリーとビュートの2本のポール線路のそれぞれには、クロスアームの反対端に2つとポールの頂部に1つという三角形配置の3本の導体からなる単一回路があり、各回路の導体から他の2つのいずれかまでの距離は6.5フィートである。この導体間の距離はおそらく現在使用中のどの送電回路でも最大級だが、50,000ボルトで運転中の回路の修理を合理的に安全にするには小さすぎるようである。ポール線専用の単一回路の導体間の距離を、より長いクロスアームのわずかな追加費用で10フィートまで増やすことはできないという良い理由はないようである。導体間が10フィートあれば、これらの導体を掴むための長い木製ハンドルの特殊工具を使えば、60,000ボルト線路でも運転中の修理に深刻な危険はないはずである。エレクトラとサンフランシスコ間の60,000ボルト線路は1回路だけなので、運転中の修理が想定されているようである。
高電圧送電を単一回路で実施したもう一つの例は、ショーウィニガン滝からモントリオールまでの85マイルである。この場合、回路は断面積183,750サーキュラー・ミルのアルミニウム導体3本からなり、これらの導体はポールの頂部に1つ、下のクロスアームの端に2つという5フィート離れた配置である。この単一回路はモントリオールの照明と電力供給のために50,000ボルトで定期運転されており、電流が流れている線路の修理を避ける方法がわからない。
インダクタンスは、回路内のワイヤ直径とこれらのワイヤ間の距離の比率で変化するが、インダクタンスは単に発電機や変圧器が供給する電圧を上げるだけで、エネルギーの損失を表さないため、一般的に回路の数、導体間の距離、各導体のサイズの選択ではほとんど考慮されない。複数の小さい導体の2つ以上の回路が、大きい導体の単一回路と同じ抵抗を並列で持つ場合、インダクタンスによる電圧損失は単一回路の方が複数の回路より大きい可能性があるが、単一回路の利点が発電機や変圧器の高圧を補う以上のものになる可能性がある。そのような利点が実際の建設で存在すると考えられたことは、エレクトラ発電所からサンフランシスコまでの147マイル線路と、ショーウィニガン滝からモントリオールまでの83マイル線路がそれぞれ1回路で構成されている事実からわかる。インダクタンスは回路の長さに比例して増加するため、これらの非常に長い線路は特にその影響を受けやすいが、各場合で単一回路の利点が欠点を上回ると考えられた。
広範囲に離れた複数の変電所に同じ送電線路でエネルギーを供給する場合、線路導体を1つ以上の回路に分けるもう一つの議論が存在する。つまり、各変電所に独立した回路があるようにするためである。各変電所のローカル配電線路の圧力は規制されなければならないため、各変電所と発電所間の別々の送電回路を持つことは、発電所での各回路の電圧をその変電所の要件に可能な限り調整できるという大きな利点である。この慣行の興味深い例は、ハドソン川のスピア滝から南に30から40マイルのシェネクタディ、トロイ、アルバニーの都市への送電回路の設計で見られる。この送電線路が完成すると、No. 0の1つとNo. 000の銅ワイヤの3つの4つの三相回路が、発電所からサラトガのスイッチハウスまで約8マイル走る。
このスイッチハウスから、No. 0導体の2回路がサラトガ変電所まで少し1マイル以上、No. 000ワイヤの2回路がトロイ対岸のワーターブリート変電所まで発電所から35マイル、No. 0の1回路とNo. 000の1回路がスピア滝から30マイルのシェネクタディまで運ばれ、途中でバルストン変電所を通り供給する。他の回路はワーターブリート変電所をシェネクタディの変電所とメカニクスビルの水力発電所に接続する。ワーターブリート変電所から二次線路がアルバニーとトロイのローカル照明と電力配電を制御する変電所に走る。この送電回路のネットワークは、この事例の条件によって望ましいものとなった。これには、3つの大都市といくつかの小都市での一般的な照明と電力供給、3つの大規模電動鉄道システムの運転、そして大規模製造工場のモーターへの数千馬力の供給が含まれる。
異なる広範囲に散在した負荷を持つすべての送電システムで、1つ以上の主回路を提供することが望ましいと考えられているわけではない。例えば、ショーウィニガン滝からモントリオールまでの83マイルの単一回路は、途中のいくつかの小さい場所にも電力を供給するように設計されている。
同様に、エレクトラ発電所からサンフランシスコまでの147マイル回路は、ストックトンを含む十数以上の小さい場所を通り、オークランドとサンホセに走る側線に接続される。このような場合、多数の都市や町を通る非常に長い線路で、遅かれ早かれサービスを必要とするため、各ローカル配電センターに別々の回路を提供するのは明らかに非現実的である。そのような場合、発電所と変電所の長い列に接続された単一の主送電回路が問題の最良の解決策を表す可能性がある。そのような回路の発電所端での電圧は、負荷が最も重要または厳しい変電所に適合するように自然に規制され、他の各変電所は自身の負荷のすべての規制を任される。
送電線路の長さの多くに沿って散在した変電所を供給する送電線路の総電圧損失が大きいほど、変化する負荷の下で、すべての変電所のうち1つを除くすべての変電所で補償される電圧変動が大きくなる。単一回路が使用される場合である。例えば、100マイルの送電線路が単一回路で構成され、発電所から50マイルと100マイルに2つの変電所を供給すると仮定する。まず、中間変電所に負荷が全くないと仮定する。単一送電回路が発電所で50,000ボルトで運転され、フル負荷時に100マイル離れた変電所で45,000ボルトに対応する10パーセントの損失なら、中間変電所の圧力は47,500ボルトになる。今、100マイル離れた変電所の負荷が全線損失が1,000ボルトだけになる点まで低下し、発電所の圧力が46,000ボルトに下げられてより遠い変電所で45,000ボルトを維持する場合、中間変電所の圧力は45,500ボルト、つまり以前より2,000ボルト低くなる。全線フル負荷時の損失が5パーセントだけなら、発電所で50,000ボルトの時100マイル離れた変電所で47,500ボルトになり、中間変電所の圧力は48,750ボルトになる。全線損失が最大の1/5、つまり500ボルトに低下した場合、より遠い変電所で47,500を一定に保つために発電所の圧力を48,000ボルトに下げると、中間変電所の圧力は47,750ボルト、つまりフル負荷時より1,000ボルト低くなる。これら2つの例から、中間変電所の圧力変動の程度は最大線損失に直接依存することがわかる。発電所の規制が100マイル離れた変電所で一定電圧を維持するようであれば。
上記のすべては中間変電所に負荷がないと仮定しているが、負荷があると圧力変動はもちろんその量とより遠い変電所の負荷に依存する。
同じ送電線路で2つ以上の回路を使用する最も強い理由の1つは、大型固定モーターや電動鉄道システムが運転される場所での負荷の急速な変動から生じる。送電線路が固定または鉄道モーターの負荷を運ぶ場合、線路を少なくとも2回路に分け、1回路を鉄道またはモーター作業専用、もう1つを照明専用とするのが一般的である。場合によっては、この送電システムの照明とモーター負荷への分割は、変電所機器と線路だけでなく、変圧器、発電機、水車、さらには発電所のペンストックまで実施される。この送電システムの分割をさらに進め、モーターまたは照明負荷、または両方をセクションに分け、各セクションの運転に別々の送電回路、変圧器群、発電機、水車を専用とすることも可能である。発電および送電機器の完全な独立ユニットへの分割の例は、メイン州ポートランドに照明と電力を供給するシステムで、13マイル離れたプレサンプスコット川の発電所からである。この駅では、フォアベイ壁に別々のゲートを備えた4本の鋼製ペンストックが4組の水車に水を供給し、各組の水車が直結発電機を駆動する。発電所と都市のビジネス地区外の変圧器ハウスを接続する4つの三相回路があり、各回路はNo. 2の固体軟銅線で構成される。
これらの4セットの機器は、ヘッドゲートから変電所まで通常他のものとは独立して運転され、モーター負荷または電動照明の一部を供給する。この方法で、1セクションの負荷量の変化が他のセクションの電圧変動を引き起こさない。ニューハンプシャー州マンチェスターでは、変電所は4つの水力発電所からエネルギーを受け取り、低圧2,300ボルトの三相母線を2セット備え、1セットはローカル電動鉄道システム専用、もう1セットはランプと固定モーターの供給専用である。これらの母線の各セットは複数のセクションに分けられ、これらのセクションにより異なる送電回路が照明とモーター負荷の異なる部分に専用される。4つの水力発電所の3つが変電所に各2回路で接続されているため、この場合の負荷分割は発電機までしばしば実施され、例えば発電所の発電機1つが鉄道作業、もう1つが同時の照明負荷で運転される。この計画は、発電機で全負荷の複数の部分の規制の多くができるという明らかな利点があり、変電所での必要な規制量を減らし、変動するモーター負荷がランプに影響しない。この場合、いくつかの送電回路の導体はすべて中程度のサイズで、線路の分割はインダクタンス量の低減ではなく規制目的で採用されたようである。例えば、グレッグズ滝と変電所の間の6マイル線路は、No. 4の三相回路1つとNo. 6の裸銅線の回路1つで構成される。ガービンズ滝の発電所と変電所の間の14マイル線路、4つの送電のうち最長は、No. 0裸銅線の各三相回路2つで構成される。グレッグズ滝発電所の線路の細分化は発電機器のそれより進んでおり、そこには1,200キロワットの単一発電機しかなく、変電所まで2回路が走る。線路を別々の回路に多重化したもう一つの例は、カナダのケベックへのモントモランシー滝からの7マイル送電で、No. 0銅ワイヤの各16本の導体が、2,400キロワット容量の発電所と変電所を接続する4つの二相回路を構成する。
そのような送電回路の多重化は規制の観点からいくつかの利点があるが、むしろ短い線路に制限する良い理由があり、実際にはほとんどそこで見られる。非常に長い線路で多数の回路とかなり小さい機械的に弱い導体の使用は、検査と修理の恒常的な費用を明らかに増加させ、サービスの不確実性を増大させる。25マイル以上の送電線路で2回路以上に分けられたものはほとんどなく、いくつかの事例では超長線路がそれぞれ単一回路だけである。世界最大の単一電力送電、ナイアガラ滝とバッファロー間のものは、約20マイルの1つと約23マイルのもう1つの2本のポール線路で行われる。より長いポール線路で古い方は、350,000サーキュラー・ミルの銅導体3本の各三相回路2つを運ぶ。より短いポール線路は、断面積500,000サーキュラー・ミルのアルミニウム導体の単一三相回路を運ぶ。アルミニウム回路は銅で構成された2つの各々に電気伝導度で等しく意図されている。A. I. E. E.第18巻518から527ページのナイアガラ滝とバッファロー送電システムの記述によると、これらの3回路の各々は約7,500キロワットを送電するよう設計されており、1901年8月までの最大送電電力は15,600キロワット、つまり計算された2回路の容量である。記述によると、バッファローで使用するためのエネルギーを供給する送電回路は定期的に並列運転され、これは発電機と降圧変圧器にも当てはまるが、このエネルギーが適用される用途には照明、大型固定モーター、電動鉄道システムが含まれる。しかし、ナイアガラ滝の発電所とバッファロー近郊のターミナルハウスの機器は、発電所の2つの3,750キロワット発電機と8つの昇圧変圧器、送電回路1つとバッファローのターミナルハウスの3つの降圧変圧器が、他のすべての機器とは独立して運転できるように配置されている。
すでに指摘したように、非常に長い送電システムでの各変電所と各変電所の照明と電力負荷のための別々の回路の使用はしばしば非現実的である。比較的短い送電でも回路の多重化とかなり小さい機械的に弱い導体の使用は設置の初回費用とその後の検査と修理の費用を増加させる。広範囲に離れた変電所に照明、電力、鉄道負荷を供給する送電線路での単一回路の運転に対する異議は、各変電所の配電線路での圧力規制の難しさから生じる。そのような送電線路は必然的にいくつかの変電所で異なる変動する電圧でエネルギーを供給し、これらの変動はもちろん降圧変圧器の二次側で再現される。しかし幸いにも、同期モーター発電機を静的変圧器の代わりにまたはそれと共に使用することで、送電線路から供給される配電回路の圧力規制の問題を大きく解決する。これは、一定周波数で同期モーターの回転速度が印加電圧の変動や負荷変化に関係なく一定であるというよく知られた事実によるものである。モーターと接続発電機の一定速度で、当然配電線路に一定電圧で電流を供給するのは簡単である。この速度の一定性により、同期モーター発電機は電力と照明負荷の両方を持つ大規模送電システムで人気がある。ナイアガラ滝から送電されたエネルギーで運転されるバッファローの満足な照明サービスは、ある程度バッファロー変電所での同期モーター発電機の使用によるようである。上記のように、ナイアガラ滝とバッファロー間の送電線路の3回路は並列運転され、後者では鉄道と固定モーターの大負荷がある。3回路が並列運転されるため、これらのいくつかの負荷の変化による電圧変動に関しては単一回路に相当する。A. I. E. E.第18巻125ページ以降によると、1901年のバッファローでの送電システムの負荷は、鉄道モーターで約7,000馬力、誘導モーターで4,000馬力、ランプと連続電流モーターで分けた4,000馬力である。鉄道負荷は降圧変圧器とロータリーコンバーターを通じて運転される。誘導モーターは降圧変圧器の2,000ボルト二次回路またはこれらの回路から供給されるサービス変圧器に接続される。これらの鉄道と固定モーター負荷ではもちろん密接な圧力規制の必要はない。シリーズアークランプは降圧変圧器と一定連続電流ダイナモに直結した同期モーターを通じて運転される。連続電流固定モーターは鉄道負荷のように降圧変圧器とロータリーコンバーターを通じて送電線路から電力を引き込む。商業アークと白熱照明のためのサービス変圧器を供給する2,200ボルト回路では、送電エネルギーは降圧変圧器と同期モーター発電機を通る。これらのモーター発電機は周波数を25から60サイクル毎秒に上げる。最後に、外側ワイヤ間で約250ボルトの白熱照明のための連続電流三線システムは、降圧変圧器と連続電流発電機に直結した同期モーターを通じて運転される。この最後のサービスでは、ロータリーコンバーターが最初に試されたが、送電線路の電圧変動（主に鉄道とモーター負荷による）がロータリーコンバーターにより連続電流回路で再現されるため非現実的であることがわかった。モーター発電機の採用以来、このサービス電圧の変動はもはや存在しない。
照明とモーター負荷の両方を運ぶ送電線路から電力を供給する同期モーター発電機のもう一つの事例は、モントリオールのショーウィニガン変電所である。この変電所では、ショーウィニガン滝の発電所からの85マイル送電線路が終端する。すでに指摘したように、この線路は断面積183,750サーキュラー・ミルのアルミニウム導体の単一三相回路で構成される。モントリオール変電所では、30サイクルの三相電流がショーウィニガン滝から電圧を2,300に下げる変圧器に供給される。電流はその後、各1,200馬力容量の5つの同期モーター発電機に行き、そこでは同じ電圧で63サイクル毎秒の二相に変換される。この変換された電流はモントリオールのローカル電気供給システムの配電線路に渡され、他の2つの水力発電所からもエネルギーを引き込み、必要に応じて照明、固定モーター、または街路鉄道作業に専用される。これらのいくつかの負荷に別々のローカル配電回路が専用されるが、固定と鉄道モーター作業の変動は必然的に変電所の送電線路と変圧器の電圧に反応する。同期モーター発電機の使用により、照明回路はこれらの圧力変動から保護される。
長距離送電線路上の異なるポイントでの変電所の数が増加し、各々で固定モーターと鉄道負荷がより一般的になるにつれ、照明サービスのための同期モーター発電機の使用は現在よりはるかに頻繁になると予想される。そのような使用により、送電回路の多重化の理由の1つが消える。
発電所を単一変電所または同じ一般方向の複数の変電所に接続するいくつかの送電回路がある場合、2つ以上の回路を1つとして組み合わせられるように、または通常特定の負荷または変電所を運転する回路が機会が必要な時に別のものに専用できるように、スイッチを配置することが望ましい。この目的のため、発電所、変電所、しばしばスイッチハウスで各回路に転送スイッチが必要である。これらの転送スイッチは通常ナイフ型で、接続された回路が使用されていない時の手動操作を意図する。そのようなスイッチは送電の全電圧にさらされるため、導電部分の絶縁は非常に高くすべきである。ニューヨーク州トロイ、アルバニー、シェネクタディの変電所とスピア滝とメカニクスビルの発電所の広範な送電システムでは、高絶縁構造の転送スイッチが多用されている。このスイッチの2つのブレードは互いに独立して動くが、両方とも同じ金属クリップの間に取り付けられる。各ブレードは2 x 1/4インチの銅棒で、2つのブレードを支えるクリップは外径4.75インチ、高さ2インチの円形金属キャップの上に取り付けられ、大型二重ペチコートの磁器線絶縁体の頂部にセメントで固定される。
これらの銅ブレードがスイッチを閉じる際に振り込まれるクリップも、上記のように絶縁体で運ばれるキャップに取り付けられる。これらの絶縁体の各々は大型木製ピンに取り付けられ、これらのピンはスイッチが必要なポイントの木材に固定される。このスイッチの構造は、このシステムの30,000ボルトの線電圧に十分な絶縁を与える。上記転送スイッチにより、スピア滝発電所を発つ送電回路のいずれもそこにある10発電機と10変圧器群のいずれかに接続できる。サラトガスイッチハウスでは、スピア滝からの4三相回路を構成する12導体のいずれも、サラトガ、ワーターブリート、シェネクタディ変電所へ南に走る6三相回路を構成する18導体のいずれかに、図に示すように接続できる。同様にワーターブリート変電所では、スピア滝から26,500ボルトとメカニクスビルから10,800ボルトのエネルギーを受け取り、これらの水力発電所のいずれからの単一導体も、アルバニーとトロイ周辺の鉄道と照明変電所へ走る導体のいずれかに、直接または変圧器を通じて接続できる。いくつかの送電回路が使用される場合、この接続の完全な柔軟性は運転の利便性と信頼性を明らかに増加させる。
送電線路の回路。
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| | | | | | サイクル|
| |長さ |回路 |ポール|サーキュラー| 毎 |
| 線路の場所。 |(マイル)| の |線路 |ミル毎 | 秒 |
| | |数。 |の数。|ワイヤ。 | の |
| | | | | |電流。 |
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|エレクトラからサンフランシスコ| 147 | 1 | 1 |[A]471,034| 60 |
|コルゲートからオークランド、カリフォルニア| 142 | 2 | 2 | 133,100| 60 |
| | | | |[A]211,000| |
|サンタアナ川からロサンゼルス | | | | | |
| | 83 | 2 | 1 | 83,690| 60 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| 85 | 1 | 1 |[A]183,750| 30 |
|カノン・フェリーからビュート | 65 | 2 | 2 | 106,500| 60 |
|ウェランド運河からハミルトン | 35 | 1 | 1 | 83,690| 60 |
|ウェランド運河からハミルトン | 37 | 1 | 1 | 133,100| 60 |
|スピア滝からシェネクタディ | 30 | 2 | 1 | 105,600| 40 |
| | | | | 167,800| |
|スピア滝からワーターブリート、| | | | | |
|N. Y. | 35 | 2 | 1 | 167,800| 40 |
|オグデンからソルトレイクシティ| 36 | 2 | 1 | 83,690| 60 |
|アップル川滝からセントポール| | | | | |
| | 27 | 2 | 1 | 66,370| 60 |
|ナイアガラ滝からバッファロー | 23 | 2 | 1 | 350,000| 25 |
|ナイアガラ滝からバッファロー | 20 | 1 | 1 |[A]500,000| 25 |
|ファーミントン川からハートフォード| 11 | 1 | 1 |[A]364,420| 60 |
|ナイアガラ滝からトロント | 75 | 2 | 1[B]| 190,000| 25 |
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[A] アルミニウム導体。
[B] 鋼鉄塔。
第十八章
電力送電のためのポール線路。
長い送電線路は、可能な限り発電所と変電所間の最も直接的なルートをたどるべきである。ポール、クロスアーム、絶縁体の数は線路の長さに比例して増加し、導体の重量は他の要因が等しい場合、その長さの二乗に比例する。したがって、直線からのあらゆる重大な逸脱は、かなり高いコストで支払われることになる。
配電線路は消費者に到達するために必然的に公道をたどるが、私有の通行権のコスト節約とアクセスの容易さが、送電線路を街路や高速道路に維持する主な考慮事項である。非常に荒れた地形や沼地を除けば、私有通行権上のポール線路へのアクセスの難しさは深刻な問題ではなく、ほとんど考慮する必要はない。私有通行権のコストはより重要であり、公道上に建設した場合のポール線路と導体の追加コストと比較すべきである。この追加コストには、ポール周囲の舗装、頻繁な曲がりによる追加のピン、絶縁体、ガイワイヤの項目、必要なフランチャイズ取得に必要な金額を含めるべきである。また、公道上のワイヤに維持される電圧に関する将来の立法の可能性もある。これらの考慮事項を総合すると、特に電力量が大きく電圧が非常に高い長い送電線路の位置を私有通行権に置く強い傾向がある。
最近建設されたニューハンプシャー州ロチェスターからペルハムまでの80.3マイルの送電線路は、発電所のあるポーツマス経由で電動鉄道システムに供給し、13,200ボルトで運転され、主に私有通行権上に位置している。この通行権の譲渡証書は、線路の両側1ロッド以内のすべての木や枝を切り取ることを規定している。ナイアガラ滝とバッファロー間の約23マイルの送電線路は、22,000ボルトで運転され、幅30フィートの私有道に主に位置している。
[イラスト: FIG. 80.–ニューハンプシャー・トラクション会社の送電線路、ハンプトン川橋を渡る、4,623フィート長。]
カノン・フェリーとビュート間の送電線路は、主に私有道に位置している。コルゲートとオークランド間の送電線路は主に私有道であり、カリフォルニアの他の高圧線路の大部分も同様である。これらの私有通行権は幅50フィートから数百フィートまであり、森林ではワイヤに倒れる可能性のあるすべての高い木を切り倒す必要がある。
非常に高電圧の送電の場合、2つの独立したポール線路を建設し、各ポールセットに1つ以上の回路を走らせる場合がある。この建設は、ナイアガラ滝とバッファロー、カノン・フェリーとビュート、ウェランド運河とハミルトン、コルゲートとオークランド間の送電線路で採用されている。そのような二重ポール線路は通常同じ通行権上に位置し、カノン・フェリーとコルゲートシステムでそうであるが、常にそうとは限らない。ハミルトンシステムでは、35マイルと37マイルの2本のポール線路が数マイル離れている。バッファロー線路の一部での2セットのポールは30フィート未満、コルゲート線路では25フィート、カノン・フェリー線路では40フィート離れている。
ポール線路を1つではなく2つ使用する主な理由は、1回路で開始されたアークが同じポール上のもう1つの回路に伝わる可能性と、各回路が別々のポール線路にある場合の修理の容易さと安全性である。カノン・フェリー送電の各ポール線路とコルゲート送電の各ポール線路には、3線回路が1つだけある。カノン・フェリー線路では2回路の各ワイヤの断面積は106,500サーキュラー・ミルだけ、コルゲート線路では1回路が133,225サーキュラー・ミルのワイヤ、もう1回路が211,600サーキュラー・ミルのケーブルである。これらの数字と対比して、エレクトラとミッション・サンホセ間のスタンダード・エレクトリック社の線路、距離99マイルは、断面積471,034サーキュラー・ミルのアルミニウムケーブル3本だけである。インダクタンスは導体の電流周波数で増加し、検討した3システムの各々で周波数は毎秒60サイクルである。
小さいワイヤの2回路の代わりに大きいワイヤの1回路を使用することは、各導体の機械的強度が大きいという明らかな利点があり、ポール線路1本と2番目の回路の建設コストを節約する。長距離送電線路で40,000から50,000ボルト以上の電圧では、ワイヤからワイヤへの空気を通じた漏電損失が大きい。この損失を望ましい範囲内に抑えるためには、各回路の各ワイヤに同じ回路の他のワイヤからより大きな距離を与える必要があり、各回路のすべてのワイヤが1本のポール線路に取り付けられる場合に容易に得られるものより大きい。提供される3線回路が1つだけの場合、3本のポール線路またはそれらの間に長いクロスピースを持つ2本の線路を、線路間の任意の望ましい距離で設置でき、ポールごとに1本のワイヤで空気を通じた漏電を少量に低減できる。この方法で建設された線路では、通常の手段でワイヤ間にアークを開始するのは実質的に不可能である。
同じ線路でのポールからポールまでの距離は、運ばれる導体の数、サイズ、素材で多少変化する。通常の建設では直線でポールは100から110フィート離れ、つまり1マイルあたり約50本である。曲線や角近くではポールの間隔を短くすべきである。上記のニューハンプシャーの80.3マイルの線路ではポールは定期的に100フィート離れている。ナイアガラ滝とバッファロー間の2本のポール線路のうち、古い方は350,000サーキュラー・ミルの銅ケーブル12本を運ぶよう設計され、ポールは70フィート離れていた。新しい線路は500,000サーキュラー・ミルのアルミニウムケーブル6本を運ぶよう設計され、ポールは140フィート離れている。カノン・フェリーとビュート間の各線路のポールは定期的に110フィート離れ、各ポールは106,500サーキュラー・ミルの銅ケーブル3本を運ぶ。
[イラスト: FIG. 81.–シャンブリー-モントリオール線路がシャンブリー運河を渡る。]
[イラスト: FIG. 82.–スピア滝とシェネクタディ間の線路の特殊木製構造。]
コルゲートとオークランド間の142マイルの2本の線路は各々132フィート離れたポールで構成され、1本のポール線路は上記の3本の銅導体、もう1本はアルミニウム導体を運ぶ。アルミニウムワイヤは同等の導電率の銅ワイヤの重量の半分だけなので、アルミニウムワイヤを運ぶポール間のスパン長は銅を使用する場合より長くできる。しかし、ポールへの負担の一部だけがワイヤの重量によるものである。水域を渡る必要がある場合、各側でワイヤの特殊支持を持つ非常に長いスパンが必要になる可能性がある。このような事例は、コルゲートとオークランド線路がカルキネス海峡を渡る場所で、水路が3,200フィート幅のポイントで発生した。これらの海峡を渡るケーブルの最低部を水面から少なくとも200フィート上にし、最も高いマストの船舶が下を通れるようにする必要があった。ケーブルに必要な高さを確保するために、海峡の各岸に鋼鉄塔を建設し、2つの塔のケーブル支持ポイント間の距離が4,427フィート離れたポイントとした。岸が水面から急速に上がるため、1つの鋼鉄塔の高さを65フィート、もう1つを225フィートとした。これらの2つの塔間に4本の鋼鉄ケーブルを吊り下げ、各ケーブルは19本の亜鉛メッキ鋼線ストランドで構成され、外径7/8インチ、スパンで7,080ポンドの重量である。各ケーブルの破断強度は98,000ポンドで、No. 2銅ワイヤの電気伝導度を持つ。ケーブルは塔で鋼鉄ローラーで単に支持され、各ケーブルの12トンの引っ張りは各塔の後ろの距離のアンカレッジで受け止められ、ケーブルがそこで終端する。各アンカレッジは地面に深く埋め込まれた大型セメントブロックで、アンカーボルトが通っている。各ケーブルは一連のストレイン絶縁体を通じてアンカレッジに固定され、通常の銅とアルミニウムの線ケーブルは各アンカーのストレイン絶縁体の上に建てられたシェルターのすぐ外で鋼鉄ケーブルに接続される。鋼鉄ケーブルは、その金属で得られる大きな引張強度のため、海峡の長いスパンに使用された。このスパンは、高電圧電気送電でこれまで建設された最長で最高のものである。
1つの事例で、90フィート高で1,000フィート離れた鋼鉄塔をポール線路の代わりに置き、塔から塔にワイヤを張るよう提案された。そのような建設は絶縁の難しさを増し、木製ポール線路より初期コストが高い。問題は、鋼鉄塔の低い維持と減価償却率がポールと比較した欠点を相殺するかどうかである。ポール線路はトランジットで杭打ちし、同じ機器で各ポールを垂直位置にし、線に合わせられる。木製ポールは高電圧送電線路のほとんどの場合で使用される。鉄ポールは、高電圧で電流を送電中の回路で作業を危険にする。鉄ポールでは欠陥絶縁体が鉄への連続アークでそのポイントの導体を破壊する可能性がある。
[イラスト: FIG. 83.–スピア滝とシェネクタディ間の線路の特殊構造。]
国々の異なる地域でポールに使用される木材の種類は変化する。ニューイングランドでは、栗のポールが好まれ、ニューハンプシャーの上記80.3マイルの送電線路で使用された。杉のポールはカナダを含むほぼすべての地域でいくらか使用される。トウヒと松のポールは特に50フィート以上の長さでいくらか使用される。ロッキー山脈地域とカリフォルニアでは、オレゴン、ワシントン、アイダホの森林からの丸い杉ポールが多用される。エレクトラ発電所とサンフランシスコ間の147マイル線路には、大木の幹から鋸で切られた赤杉ポールが建設された。コルゲートとオークランド線路にはオレゴン杉ポールが選ばれ、カノン・フェリーとビュート間の送電にはアイダホの杉ポールが使用された。送電回路では、ほとんどのポイントでポールを非常に長いものではなく非常に強いものにすることがはるかに重要である。ワイヤや障害物を高電圧回路で渡る場所では、ポールはこれらの回路を他のすべてよりはるかに上に運ぶのに十分長いべきである。障害物を避ける必要のない開けた田舎では、35フィートより長いポールを使用するのは得策ではない。
[イラスト: FIG. 84.–ニューヨーク州サラトガでの30,000ボルト線路によるデラウェア・アンド・ハドソン鉄道軌道の横断。]
短いポールは風にさらされる表面が少なく、風圧が地面でポールを折るレバーの長さはポールの長さで減少し、ポールが短いほど支柱とガイワイヤへの負担が小さい。ポールが30または35フィートだけなら、過度のコストなしで直径を大きくできる。一般に、トップが7インチ未満のポールを使用すべきではなく、このトップのポールは3本以上のワイヤを運ぶべきではない。7または8インチトップで30フィート長のポールは、尻の直径が12インチ以上であるべきである。長いポールでは、60フィート長の丸ポールで少なくとも18インチまで尻の直径を増やす。
上記のニューハンプシャー送電ではポールの標準長は35フィートである。カノン・フェリーとビュート間の線路ではポールは35から90フィート長である。コルゲートとオークランド線路で使用された丸い杉ポールは25から60フィート長、トップ直径8から12インチ、尻直径12から18インチである。エレクトラとサンフランシスコ間の線路の四角く鋸で切られた赤杉ポールの寸法は、1902年のエジソン・イルミネーティング・カンパニーズ年次大会で読まれた論文で報告されている。
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|高さ、 | トップ、| 尻、 | 地面 |
| フィート。|インチ。| インチ。 |深さ。 |
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| | | | |
| 35 | 7 × 7 |12 × 12 | 5.5 |
| 40 | 8 × 8 |13-1/2 × 13-1/2| 6 |
| 45 | 9 × 9 |15 × 15 | 6.5 |
| 50 |10 × 10|16 × 16 | 7 |
| 60 |11 × 11|17 × 17 | 8 |
+——-+——-+—————+———-+
これらのポールの相対寸法は興味深い。なぜなら、大木の幹から鋸で切られたため、トップと尻で任意の望ましい測定値を持つことができるからである。これらのポールは、線路の大部分で上記の471,034サーキュラー・ミルのアルミニウムケーブル3本を運ぶ。地面に設置されるポールの深さは、25または30フィートポールで約5フィートから、60フィート長ポールで8フィートまでである。土壌が非常に柔らかい場所やポールが重い負担に耐える場所では、穴をポールの尻直径より2フィート以上大きく掘り、ポールを穴に入れた後、尻の周囲にセメントコンクリート（測定でポートランドセメント1部、砂3部、破砕石5部）を充填することで各ポールの安定性を大幅に増すことができる。ポールの尻は地面線から1フィート以上上まで、建設前に熱いタール、ピッチ、アスファルト、またはカルボリネウムで処理されることが多く、ソルトレイクシティではポールが穴に入った後、尻周囲に塩を使用すると言われる。
場合によっては送電線路のポールが全長に塗装される。ポールのトップは常に水を流すために尖ったりくさび形にし、塗料やタールを塗布すべきである。場合によってはポールが鉄製レトルトで原油または他の防腐化合物で満たされ、空気を排気して水分を除去し、乾蒸気で処理した後、油圧で化合物が押し込まれる。
好ましい土壌では杉ポールは20年かなり健全に保たれ、栗ポールはその半分以上、トウヒと松は約5年である。40フィートまでのポールはパイクポールで簡単に設置できるが、それよりはるかに長い場合、デリックが時間と労力を節約する。デリックは設置されるポールの長さの半分少し以上であるべきである。
[イラスト: FIG. 86.–シャンブリー-モントリオール線路がリシュリュー川を渡る。]
ポールは線路の方向に重大な変化があるすべてのポイントでガイまたは支柱され、長く直線的な区間では約5本ごとにポールが両方向にガイまたは支柱され、線ワイヤが切断または破断された時のポールの後退を防ぐ。木製支柱のためのスペースがある場所、例えば私有通行権では、より実質的な性質とそれにより得られる高い絶縁の安全性のため、ガイの代わりに使用すべきである。通常のストレイン絶縁体は非常に高電圧で運転する線路で信頼できないため、ガイを使用する場合、4 x 6インチの木材をガイの各端に巻き付け、10から20フィート長のストレイン絶縁体として使用できる。ガイまたは支柱はポールの下部クロスアームの下によく来て、取り付けポイントでポールが折れるのを避ける。
ポールが重い回路と複数のクロスアームを持つ場合、最低アームの下にガイまたは支柱を付け、ポールトップ近くにもガイを付けることが望ましい場合がある。亜鉛メッキ鉄または鋼線はガイに最適な素材で、ケーブル形式は固体ワイヤより強度が高く柔軟である。
[イラスト: FIG. 87.–シャンブリー発電所とモントリオール間の線路のクロスアームと絶縁体。]
エレクトラとサンフランシスコ間の送電線路、60,000ボルトで運転予定では、ガイの使用を主に避け、代わりに支柱を使用した。ガイを使用しなければならない場合、6 x 6インチで20フィート長の木製ストレイン絶縁体を挿入した。
ポール線路のポール上のクロスアームの数と間隔は、各ポールが運ぶ回路の数とワイヤの望ましい距離で規制される。以前は単一のポール線路に2つ以上の回路を運ぶのが一般的だったが、今は各ポール線路に1回路だけを与え、各ポールに電力ワイヤ用のクロスアーム1本だけ、ただし電話回路用の小さいクロスアームを電力ワイヤの下数フィートに置くのが頻繁な慣行である。各ポール線路に送電回路が1つだけの場合、通常1本のワイヤをポールトップに置き、他の2本を単一クロスアームの反対端に置く。ナイアガラ滝とバッファロー間の送電の古いポール線路は、電力ワイヤ用にポールごとに2本のクロスアームを運び、これらのクロスアームは2フィート離れている。各クロスアームはイエローパインで、長さ12フィート、断面4 x 6インチで、4つの3線回路を運ぶ予定だったが、2回路だけがこれらの2クロスアームに建設された。この同じ送電の後のポール線路では、各ポールは2本のクロスアームを運び、上部は4本、下部は2本のワイヤ用で、ポールの各側に1つの3線回路を張り、上部に2本、下部に1本を正三角形の形で張る。カノン・フェリーとビュート、コルゲートとオークランド、エレクトラとサンフランシスコ間のポール線路はすべてポールごとに電力ワイヤ用のクロスアーム1本だけがあり、各場合の回路の3番目のワイヤはポールトップに取り付けられ、3本の導体が正三角形の角にある。
この導体の相対位置は、必要に応じて転置を容易にする。カノン・フェリーからビュートへの線路ではクロスアームは各々長さ8フィートで、ピン用の穴が78インチ離れ、トップから5フィート10.5インチでポールに取り付けられる。クロスアームのゲインはポールが上げられる前に1から2インチ深く切られ、クロスアームとポールのゲイン中央に3/4または7/8インチボルト用の穴を1つ穿つ。各クロスアームはポールとクロスアームを完全に通る単一ボルトで取り付け、クロスアーム隣に直径約3インチのワッシャーを置く。1本の大きな貫通ボルトは2本の小さいボルトやラグスクリューよりポールとアームを弱くせず、アームの交換がボルト1本だけ除去で容易になる。線路の交互のポールはクロスアームを反対側にボルト止めし、角では二重アームを使用すべきである。
イエローパインはクロスアームの好ましい木材だが、他の種類も使用される。断面積が5.5 x 4.5インチ未満はほとんど望ましくない。高電圧線路で必要な大型で長いピンはクロスアームの断面積を増やす傾向がある。エレクトラとサンフランシスコ間の線路、471,034サーキュラー・ミルのアルミニウムケーブル3本を運ぶでは、オレゴンパインのクロスアームは各々6 x 6インチ断面である。小さいクロスアームの標準寸法は4.75 x 3.75インチだが、これらのアームが長い送電作業に十分強いかどうかは疑わしい。クロスアームは全面を表面処理し、水を流すためにトップを1/4から1/2インチ冠状にする。窯乾燥後、クロスアームは木材を保存し高い絶縁特性を与えるためにアスファルトまたは亜麻仁油で煮沸すべきである。5フィートより長いクロスアームは、各アームの下の距離のポールから始まり、アームのポールと各端の中間点まで延びるブレースで固定すべきである。
[イラスト: FIG. 88.–ケベック州シャンブリー発電所のテールレースとポール線路。]
各ブレースは断面約1.5 x 0.25インチの平鉄棒、またはアームの両端のブレースは適切な形状に曲げられた単一のアングル鉄で作れる。高電圧線路では、いかなる種類の鉄ブレースも望ましくない。なぜなら、これらのブレースが絶縁体とワイヤが取り付けられたピンに近すぎる低抵抗経路を形成するからである。硬木のブレースは絶縁がはるかに良く、電圧50,000のビュートとカノン・フェリー間の線路でメープルの4インチ木材が使用されている。その線路の各ブレースは長さ36インチ、幅3インチで、1端がポール中央にボルト止め、もう1端がポール中央から23インチのクロスアームに固定される。
エレクトラからの線路は木製ピンで固定された硬木ブレースを持つ。
木材は高電圧送電回路の絶縁体をマウントするピンに最も一般的な素材である。鉄はピンにいくらか使用され、使用が増加している。オークとローカストのピンが一般的に使用され、後者が強く長持ちする。カリフォルニアではユーカリのピンが多用され、ローカストより強いと言われる。すべての木製ピンはよく乾燥後、数時間亜麻仁油で煮沸すべきである。これによりピンの絶縁と耐久特性が増す。
高電圧線路は絶縁体の下縁をクロスアームのはるか上に保持するための長いピンを必要とし、これらのピンはワイヤの増加したレバーにより通常線路よりはるかに強いものでなければならない。
全長12インチ、直径1.5インチの部分がクロスアームに入るピンが送電回路で多用されたが、高電圧では短く弱すぎる。カノン・フェリーとビュート間の50,000ボルト線路ではピンはパラフィンで煮沸された熟成オークである。これらのピンの各々は長さ17.5インチ、中央の最大部で直径2.5インチで長さ4.5インチ、中間部で長さ4.5インチ、直径2インチで長さ5.5インチがクロスアームまたはポールトップに適合、上部の絶縁体内ネジ山で直径1.5インチである。これらのピンは絶縁体の外縁をクロスアームトップから9インチ上に保持する。これらのピンの各々はピンとクロスアームまたはポールトップを完全に通る3/8インチボルトでソケットに保持される。
エレクトラとサンフランシスコ間の線路ではピンは各々長さ16.875インチ、中央最大部で直径2.75インチ、下部で直径2.25インチ、長さ5インチがクロスアームまたはポールトップに適合する。これらのピンの1つがネジ部に2,200ポンドの引っ張りで肩で折れた。直径1/2インチのキャリッジボルトがアームトップから2インチのクロスアームとピンを通り、各側でピンから3インチの1本。これらのボルトなしでアームはピンに1,200ポンドの引っ張りでテストで分裂したが、ボルトありでピンが上記のように折れた。
第十九章
電気送電線路の入り口。
送電線路の発電所と変電所への入り口は、建設と絶縁の特別な問題を提示する。これらの問題の1つは、各導体が駅の側壁または屋根を通るポイントでの機械的安全性に関するものである。導体は時々、駅に取り付けられ、線路の負担が進入する側壁に負担され、壁を線から引き抜く傾向がある。
この慣行は、利便性を除けば推奨される点がほとんどなく、導体がかなり小さいか、駅の壁が異常に重い場合を除けば、前者の引っ張りが後者を時間とともに膨らませる可能性がある。重い線路の場合、最終的な端負担はしっかりと固定されたアンカーで最も適切に受け止められる。導体がそのようなアンカーに直接固定される場所では特殊絶縁体を使用する必要があるため、線路の端に二重クロスアーム付きの1本以上の重いポールを設置し、これらのポールを大型支柱またはアンカーに取り付けたガイで固定するのが通常より便利である。これらの端ポールの余分な重いクロスアームには、線絶縁体用の鉄ピンを備え、数フィート以内にこのように取り付けられた絶縁体2つ以上が、各ワイヤに対して、ほぼすべての線路の端負担に耐える。
この方法で線路の端負担を受ける絶縁体は、ワイヤの取り付けを側面で許容し、各導体による力が絶縁体のトップを引き抜くのではなく、絶縁体をピンの側面に押し付ける傾向があるべきである。線路の端負担が駅近くのポールで受け止められた後、導体は壁の絶縁体に取り付けられ、後者は機械的負担がほとんどない。
架空線路は通常駅の側壁の1つを通って入るが、屋根に入ることもある。建物の切妻端の側壁入り口が、軒下の側壁よりはるかに水滴が多いため、望ましい。軒下に入らなければならない場合、入り口の上にシェルターを提供し、このシェルターの屋根にワイヤから水を運ぶ溝を備えるべきである。
駅への各導体の入り口は、回路の十分な絶縁を維持する方法で実施され、場合によっては雨、雪、風を排除するように保護される。線電圧と駅の位置する気候は、特定の事例で適切な入り口の形態に重要な影響を与える。
高電圧線路の最も簡単な入り口形態は、各ワイヤの壁を通る十分な開口部、通常円形である。壁の内外両側に各ワイヤの絶縁体を提供し、この開口部の中央にワイヤを保持すべきである。そのような絶縁体は壁の両側に取り付けた固定具で最も便利に支持され、外側の絶縁体は雨と雪から完全に保護されない限り、直立位置に保つべきである。
壁を通る開口部の直径は、雪、雨、霧、または塵の最悪の条件下でワイヤと壁間の電流の目に見える放電を防ぐのに十分大きくすべきである。そのような開口部は、線電圧で直径が増加しなければならない。これらの線ワイヤの開口部が大きいほど、雨、雪、塵、冷気を通じた駅への侵入機会が大きい。
開口部は壁の外側にシェルターを置くことで雪と雨を防ぐように保護できるが、そのようなシェルターは冷気を防げない。ワイヤ入り口の開口部が空気爆風変圧器を含む部屋の壁に位置する場合、非常に高電圧回路の開口部の面積は、変圧器からの熱気の逃げを許すのに必要なものより大きくない可能性がある。
気候が穏やかであれば、他の要因が同じなら、駅に入る回路の電圧が高く、空気の移動が自由な開口部が許容される。電圧が中程度、例えば15,000未満の場合、米国で最も寒い地域でも完全に自由な開口部を通じて駅にワイヤを入れるのはかなり実用的である。20,000から60,000ボルトの場合、国の寒い地域では、各ワイヤが入る壁の開口部を絶縁材のディスクで閉じる必要があることが多い。
これらのディスク上の電流漏れを適切な範囲内に抑えるために、ディスクの直径は回路の電圧で増加しなければならない。このディスク直径の増加は明らかにディスク表面の漏れ電流経路を長くする。高電圧回路の入り口のための壁の開口部がワイヤ周囲の絶縁ディスクで閉じられる場合、これらのディスクは裸ワイヤと実際に接触するか、各入り口のワイヤに特殊絶縁がある可能性がある。
ニューハンプシャー州マンチェスターの変電所の側壁では、4つの水力発電所からの送電線路の入り口が、レンガ工事に組み込まれたスレートスラブの円形開口部で提供される。3つの水力発電所からの送電回路は10,000から12,000ボルトで運転され、4番目の発電所の回路は約6,000ボルトである。スレートスラブの円形開口部は各々直径5インチで、中央間12から15インチ間隔である。各開口部を通じて単一のワイヤが入り、壁の内外両側の絶縁体で中央に保持される。各ワイヤはスレートスラブを通る場所で裸で、円形開口部はどのような方法でも閉じられない。これらのスレートスラブの5インチ円形開口部を通る最大のワイヤは固体銅のNo. 0で、各々直径0.325インチである。
スレートスラブの開口部を通る前に、これらの送電回路のワイヤは鉄ブラケットでレンガ壁の外側に固定されたクロスアームで支持された通常の線絶縁体に結ばれる。各ワイヤの絶縁体への取り付けポイントは、変電所に入る円形穴の中央の下約9インチである。
このマンチェスター変電所は、空気爆風変圧器を備え、熱気が送電線路が入る同じ部屋に排出される。変電所の1側に沿って、高電圧線路の入り口のためのスレートスラブの5インチ円形開口部が27あり、変電所のもう1側に配電回路のためのより多くの小さい開口部がある。空気爆風変圧器がなければ、これらの開口部のすべてがマンチェスターのように寒い気候で望ましいより多くの空気を入れるだろう。
駅の壁の開口部のもう一つの例は、サンタアナ川とカリフォルニア州ロサンゼルス間の33,000ボルト線路で、建物の内外間の空気の自由な移動がある。この場合、各線ワイヤのために直径12インチの排水管が駅の壁に組み込まれ、このサイズの自由な開口部が内外にできる。
33,000ボルト回路の各ワイヤはこれらの12インチ管の1つの中央を通って駅に入り、あらゆる側で6インチの空気に囲まれる。ロサンゼルス近郊の気温がゼロ以下になることはほとんどないため、これらの大きな開口部は異議のある空気を入れることはない。この穏やかな気候に加え、空気爆風変圧器が12インチ開口部を持つ駅の好ましい特徴を追加する。
しかし、非常に高電圧のワイヤ入り口の開口部が駅の内外間の空気の自由な移動を許す別の事例では、気候は寒く、冬の気温が零下30度以下になる。この条件は、アップル川滝とセントポールの25,000ボルト線路で存在し、No. 2ワイヤ6本が避雷器のある小さな拡張部のレンガ側壁の単純な円形開口部を通って発電所に入る。空気爆風変圧器はこの避雷器ハウスに隣接した駅の端に位置するが、それらの熱気がワイヤの開口部を通って逃げるかは確かではない。
上記のように寒い気候の別の事例では、ギャラリーが地面からある距離の駅の外側の1側に沿って建設され、高圧線路の各ワイヤに2つの開口部が提供される。これらの2つの開口部の1つはギャラリーの水平床にあり、外側からのワイヤ入り口を許容し、もう1つはギャラリーが建設された駅の側壁にある。各ワイヤの2つの開口部が直角で、外気への開口部が水平位置で風から保護されるため、許容される量以上の冷気が駅に入ることはないと言われる。
中程度の電圧、例えば10,000から15,000の線路の場合、25,000ボルト以上の線路の大多数の場合では、高圧ワイヤの入り口は完全に閉じられる。この慣行の例は、ニューハンプシャー州ポーツマスとペルハムの12,000ボルト線路に沿ったニューハンプシャー・トラクション会社の各種変電所で見られる。
これらの線路の各ワイヤの入り口のために、変電所のレンガ壁に16インチ正方形の開口部が作られる。この壁の外側に、並んで位置する3つ以上のグループの開口部周囲に箱が建設される。この箱のトップまたは屋根はスレート石の3インチ厚スラブで形成され、壁にセットされ、壁面から26インチ延び、水平からわずかな傾斜がある。
この箱の端、底、外側は1インチ厚のスレートスラブで形成され、囲まれた空間はこの建物に直角の垂直断面で高さ15.5インチ、幅22インチの面積を持つ。
[イラスト: FIG. 89.–建物に入るケーブル。]
この箱の底には各ワイヤの円形開口部があり、この開口部にワイヤが通る重いガラスまたは磁器ブッシングが適合する。箱の内側に到達した後、ワイヤは直角に曲がり、16インチ正方形の開口部を通って変電所に入る。箱の底のブッシングを通って運ばれる前に、各線ワイヤの下に鉄ブラケットでレンガ壁の外側に特殊絶縁体が固定され、この絶縁体はワイヤの負担を受ける。この入り口形態は、駅から冷気を排除したい場合、電圧がブッシング表面と箱の底を形成するスレート上の深刻な漏れを引き起こさないほど高くない場合に許容される。上記のすべての事例で、駅に入るワイヤは外側のように裸の通常の線導体であった。
変電所の入り口のもう一つのタイプは、ニューヨーク州スピア滝、シェネクタディ、アルバニー間の広範な送電システムで使用される。このシステムの最大電圧は30,000で、線路は通常各変電所の切妻端の1つのレンガ壁を通って入る。外側で各回路または回路グループの入り口周囲に、変電所のレンガ壁に木製シェルターが建設される。各シェルターは、レンガ壁から線入り口の開口部の上にある距離から始まり、溝で終わる傾斜屋根を持つ。各シェルターの前部はレンガ壁の開口部の中央の下3フィートまで下げられ、端はさらに低い。各シェルターの前部は高さ4フィート、レンガ壁面から4フィートで、送電線路の各ワイヤの直径10インチの円形開口部を持つ。
木製シールドの各円形開口部に沿って、変電所のレンガ壁に直径15インチの開口部があり、このレンガ工事の開口部に外径15インチ、内径11インチの木製リングが適合する。この木製リングに1/8インチ厚の硬質繊維の15インチディスクが固定され、長さ24インチ、内径2インチの磁器管がこのディスクの中央の穴を通る。木製シールド内でそれに沿って各円形開口部と対応する繊維ディスクを通る磁器管に線絶縁体が固定される。変電所内で各管に沿って絶縁体もあり、各管の反対端近くの2つの絶縁体がそれを通る線ワイヤを位置に保持する。
最大の固体No. 000で直径0.410インチの送電線路の各ワイヤは、木製シールド内の絶縁体の1つで終端し、そこに磁器管を通って変電所に入る特殊絶縁ワイヤに接続される。裸の線ワイヤと磁器管を通る絶縁導体間の半田接続に長さ12インチの銅トロリースリーブを使用する。これらの入り口ケーブルの各々は、サイズにかかわらず、まず厚さ9/32インチのゴム層、次に厚さ9/32インチに巻かれたニス塗りカンブリック、最後にカンブリックの外側に2層の耐候性編組で絶縁される。この送電線路の閉鎖入り口形態は、明らかに駅から雪、雨、冷気、塵を排除する。繊維ディスクと木製リングが、入り口ケーブルの絶縁と共に、入り口のガラスディスクほど望ましいかは別の問題である。
高圧線路の入り口が可燃材の助けで閉じられるもう一つの事例は、リシュリュー川のシャンブリー発電所とモントリオールの変電所の25,000ボルト送電である。この線路の4つの三相回路は、各々直径0.365インチのNo. 00ワイヤで構成され、外側のように裸でシャンブリーの発電所とモントリオールのターミナルハウスに入る。
線路の各端でワイヤは、駅またはターミナル建物の端壁の外側22インチの中心で水平アームの絶縁体に固定される。絶縁体は中心間30インチで取り付けられ、これらの絶縁体のトップの上数インチに、対応する木製ブッシングの列が外向きの傾斜で壁を通る。
線路のシャンブリー端ではこれらのブッシングの各々はステアリンで煮沸されたオークで、直径4インチ、長さ12インチである。モントリオール端では壁ブッシングはツゲで、各々4インチ正方形で長さ12インチである。これらの木製ブッシングの各々はガラス管を運び、それ自体が位置する壁のコンクリートで保持される。各裸のNo. 00ワイヤの駅への入り口はこれらのガラス管の1つを通じ、冷気が排除される。
送電線路のワイヤの閉鎖入り口のかなり異なるタイプは、50,000ボルトで運転されるショーウィニガン滝とモントリオールの間で使用される。この線路を構成する3本のアルミニウムケーブルの各々、各ケーブルが7本のNo. 6 B. & S.ゲージワイヤで構成され、駅壁に直径24インチのタイル管がセットされる。各タイル管の端は中央に小さい穴のあるガラスプレートで閉じられ、ケーブルが通る。
ケーブルがテラコッタ管から全周12インチ保持されるため、電流の漏れは各ケーブルでこの長さのガラス表面または空気を通る。
これらのプレートに厚い霜のコーティングが時々集まり、これによりそれらの漏れ電流量が増加する。このような場合の表面漏れはもちろんガラスプレートのサイズで変化し、タイル管を使用する場合サイズの限界がすぐに達する。
しかし、望ましい寸法のガラスプレートを各線ワイヤのために駅のレンガ壁に直接セットし、タイル管を完全に省略できない良い理由はないようである。この計画は、ユタ州ソルトレイクシティ、オグデン、プロボ、その他のポイントに広がるユタ・ライト・アンド・パワー社のシステムで採用される。
そのシステムの40,000ボルト線路では、各ワイヤの入り口がレンガ壁に2枚のガラスプレートをセットし、1枚が内表面、もう1枚が外表面と揃うことで提供される。
各プレートの中央に直径約2.5インチの穴があり、ガラスまたは磁器管が適合する。線ワイヤはこの管を通って駅に入り、建物の外側にガラスプレートのシェルターが位置しないようである。このタイプの入り口は、マーフィー製粉所の切妻端のレンガ壁で、嵐の大部分が来る南西向きだが、4年間満足な結果を与えたと言われる。この入り口では各ガラスプレートは直径18インチ以下で、ワイヤは約4フィート離れている。同社の16,000ボルト線路では、中央に3/4インチの穴のある12インチ正方形のガラスプレートで、裸ワイヤが管なしで通り、完全に満足な結果を与えた。
モンタナ州カノン・フェリーとビュートの50,000ボルト線路では、駅への入り口の2つのかなり異なるタイプが使用される。1つのタイプは、波形鉄建物の側壁で使用され、パラフィン木の厚いブッシングで、直径2インチ、長さ4フィート、側壁5/8から3/4インチのガラス管を運び、線導体が通る。
カノン・フェリーの発電所の屋根では、50,000ボルト回路で垂直入り口が作られる。この目的で各線ワイヤは屋根の木材固定具で運ばれる3つの絶縁体のデッドエンドに導かれる。各線ワイヤから垂直タップが落ち、屋根を通って駅に入る。この屋根は木製で、外側にスズ、内側にアスベストが張られる。各タップは絶縁ワイヤで、さらに絶縁の洗練された方法が採用され、水がワイヤに沿って屋根を通って下るのを防ぐ。
入り口ポイントの上に中央穴のある大型パラフィン木ブロックが座り、この穴を通って紙筒が下に通り、ブロックの上にある距離延びる。この筒のトップ端に木製ブッシングが適合し、厚いゴム層でサーブされたタップワイヤの長さがこのブッシングで密閉される。ゴム被覆部分のタップワイヤもブッシングの上に延び、水を防ぐために紙筒のトップに下る紙コーンがテープで固定される。この紙筒の外側、下のポイントに、水が木ブロックを通って筒に沿って下るのを防ぐより大きな紙コーンが取り付けられる。駅内の紙筒の下端に木製ブッシングがあり、このと筒トップの木製ブッシングの間と紙筒の内側に長いガラス管がある。この管を通って絶縁タップワイヤが駅に入る。
高電圧線路でこれまで得られた経験から、入り口は屋根を通って下る強制的な理由がない限り、常に側壁であるべきである。気候条件が許す場合、壁を通る単純で十分な開口部、各ワイヤ周囲の大きな空気空間より信頼できる入り口形態はない。開口部を閉じなければならない場合、レンガ壁に直接セットされた1枚以上の厚いガラスプレートの大型プレートでする方が良い。各ワイヤのガラスプレートの中央穴を通る場所で長いガラスまたは磁器管を置くことで追加絶縁が得られる。各導体は線路のように入り口で裸であるべきである。上記の送電線路入り口の既存慣行のいくつかはA. I. E. E.第22巻から取られた。
第二十章
絶縁体ピン。
木製絶縁体ピンは、電気送電システムの最も弱い要素の一つである。線電圧が上昇するにつれ、絶縁体の外側ペチコートとクロスアーム間の距離を増やし、絶縁体自体を長くする必要が生じ、導体間の電流漏れを許容範囲内に抑えるためである。漏れを低減するため、ほとんどの線路でワイヤは絶縁体の側面ではなくトップに位置するようになった。
これらすべてが、線ワイヤの負担がより長いレバーで作用するため、絶縁体ピンがクロスアームに入るポイントで破断する機械的負担を大幅に増加させる傾向がある。また、送電線路が川や他の場所で長いスパンを作る必要があり、これらの場所で絶縁体ピンに非常に異常な負担がかかる場合がある。
各電気システムが単一の都市や町に限定されている限り、破損した絶縁体ピンは迅速に交換でき、そのような原因によるサービスの重大な中断はあり得なかった。しかし、都市の照明と電力供給が長い送電線路に依存する場合、現在多くの事例でそうであるが、線電圧が非常に高く、ワイヤとクロスアーム間の接触が後者を急速に焼損させる場合、破損したピンはサービスの深刻な中断を容易に引き起こす。
絶縁体ピンの機械的負担の増加に加え、絶縁体上の電流漏れによる炭化、焼損、その他の崩壊形態による木製ピンの破壊の危険がある。この危険は、線路がローカルで中程度の電圧で運転される限り、大多数の場合で全くなかった。これらのいくつかの要因が組み合わさり、設計に顕著な変化をもたらしている。
送電線路の直線部分では、絶縁体ピンは2つの主な種類の負担を受ける。一つは絶縁体と線ワイヤの重量に直接起因し、垂直に作用してピンをクロスアームに押し下げることでピンを圧壊する。もう一つは線ワイヤの水平引っ張りで、しばしば氷の被覆や風圧で大幅に増加し、曲げによりピンを破断させる傾向があり、最も頻繁にクロスアームに入るポイントである。ピンの負担の小さいものは、2つの高いポールの間に短いポールが設置され、短いポールでの線路が各絶縁体をピンから、各ピンをクロスアームから持ち上げる傾向がある。
線路が方向を変える場所、曲線や角では、ピンの側面負担が大幅に増加し、そのような場所がピンの破断による最大のトラブルを引き起こす。後者は支持する線路の重量による圧壊で失敗することはほとんどない。なぜなら、曲げ負担に耐えるのに必要なピンのサイズが圧壊強度として大きな安全率を持つからである。絶縁体は時々木製ピンから持ち上げられ、上記のように短いポールを使用する場合、これらのピンのネジ山が剥がれるが、この種の失敗は一般的ではない。
鉄ピンは絶縁体にねじ込まれるかセメントで固定されるが、セメント接合がはるかに望ましい。なぜなら、ねじ接合の場合、鉄とガラスまたは磁器の不等膨張が絶縁体の破損を引き起こす可能性があるからである。セメントを使用する場合、ピンと絶縁体の両方にネジ山または何らかの肩を提供し、ネジ山の肩が互いに接触しないものの、それでもより良い保持を助けるようにすべきである。純粋なポートランドセメントを水で濃い液体に混ぜて使用し、絶縁体を逆さまに置き、セメントを注ぐ間にピンを絶縁体の穴の中央位置に保持するのに成功した。同じ目的で使用されたもう一つのセメントは、リサージュとグリセリンの混合である。溶融硫黄も利用可能である。
絶縁体をピンから持ち上げる傾向のある同じ力が、ピンをクロスアームまたはポールトップのソケットから引き抜く。木製ピンの場合、古くからの習慣はクロスアームの側面に釘を打ち込み、ソケット内のピンのシャンクに入れることである。この計画は即時の機械的強度に関しては十分良いが、ピンを除去する時に釘を除去するのが難しく、釘の錆が木材を腐らせるため望ましくない。より良い計画は、各クロスアームと絶縁体ピンをピンのシャンクに直角に完全に通る小さい穴を持ち、小さい木製ピンを側面から側面まで完全に打ち込むことである。
絶縁体ピンの負担に影響する重要な要因のいくつかは、木製ピンが使用される以下の線路の表からわかるように、異なる送電線路で大きく変化する。ナイアガラ滝とバッファロー間の古い線路では、通常のスパン長は70フィートで、各350,000サーキュラー・ミルの銅導体はクロスアームの上7.5インチで絶縁体に取り付けられる。新しい線路ではスパン長は140フィートで、各500,000サーキュラー・ミルのアルミニウム導体はクロスアームの上10インチで絶縁体に取り付けられる。
表I.–木製ピン上の線路のデータ。
+—————————-+————-+———–+————-+
| |サーキュラー・ミル|スパン長 |ワイヤから |
|線路の場所。 | 各導体。 | ポール間|ピンのシャンク|
| | | (フィート)| まで(インチ)|
+—————————-+————-+———–+————-+
|コルゲートからオークランド | [B]133,100 | … | 13 |
|エレクトラからサンフランシスコ| [A]471,034 | 130 | 15 |
|カノン・フェリーからビュート| [B]105,600 | 110 | 13-1/2 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| [A]183,750 | 100 | 16-1/4 |
|ナイアガラ滝からバッファロー| [B]350,000 | 70 | 7-1/2 |
|ナイアガラ滝からバッファロー| [A]500,000 | 140 | 10 |
|シャンブリーからモントリオール| [B]133,100 | 90 | 8-1/2 |
|コルゲートからオークランド | [A]211,600 | … | 13 |
+—————————-+————-+———–+————-+
[A] アルミニウム導体。
[B] 銅導体。
表II.–木製ピンの寸法(インチ)。
+———————–+——+——+——+——+——–+——–+
| |ステム|シャンク|シャンク|ショルダ|ネジ山 |ネジ山 |
| 線路の場所。 |の長さ|の長さ|直径 |直径 |端の直径|部分の長さ|
+———————–+——+——+——+——+——–+——–+
|コルゲートからオークランド|10-3/8| 5-3/8| 2-1/8| 2-1/2| 1-3/8 | 2 |
|エレクトラからサン | | | | | | |
|フランシスコ |12 | 4-7/8| 2-1/4| 2-3/4| 1-3/8 | 2 |
|カノン・フェリーからビュート|12-1/2| 5-1/8| 2 | 2-1/2| 1-1/8 | 3 |
|ショーウィニガン滝から | | | | | | |
|モントリオール |13-1/2| 5 | 2-3/4| 3 | 1 | .. |
|ナイアガラ滝から | | | | | | |
|バッファロー[A] | 5-1/4| 6 | 2 | 2-3/4| 7/8 | 1-1/2 |
|ナイアガラ滝から | | | | | | |
|バッファロー[B] | 7-3/4| 6 | 2-1/4| 2-3/4| 1-1/2 | 2-1/2 |
|シャンブリーからモントリオール[C]| 7 | 5 | 1-1/2| 1-7/8| .. | .. |
|カノン・フェリーからビュート[D]|12-3/8| 7-7/8| 2-1/8| 2-1/2| 1-1/8 | 3 |
+———————–+——+——+——+——+——–+——–+
[A] 古い線路のピン。
[B] 新しい線路のピン。
[C] 近似寸法。
[D] ポールトップピン。
スパン長を倍にし、より長いステムのピンを使用することで導入されたより大きな負担を補うため、新しいピンのシャンク直径を2インチに増加させた。コルゲートとオークランド間の1本の線路は銅、もう1本はアルミニウム導体だが、各々に同じピンが使用されているようである。モンタナ州カノン・フェリーとビュート間の線路では、ポールトップで使用されるピンはクロスアームで使用されるピンよりシャンクが2-3/4インチ長く、直径が1/8インチ大きい。表に含まれる最も弱いピンは、ヒッコリー木製でシャンク直径約1-1/2インチ、No. 00銅ワイヤをクロスアームの上8-1/2インチで運ぶシャンブリーとモントリオール間の線路で使用されるようである。
すべての送電線路で使用される標準木製絶縁体ピンの以下の寸法は、アメリカ電気工学協会のトランザクション第21巻235ページで提案されている。これらのピンは各場合で小さい端での均一な引っ張りに耐えるよう設計され、軸に直角である。各ピンのショルダーとネジ山端間の長さ(インチ)はLで表され、各ピンのシャンク直径はDである。
L. D.
1 0.87
2 1.10
3 1.26
4 1.39
5 1.50
6 1.59
7 1.67
8 1.75
9 1.82
10 1.88
11 1.95
13 2.06
15 2.17
17 2.25
19 2.34
21 2.42
表II.の2つの最も強いピンは、ショーウィニガン滝とモントリオール間の線路とナイアガラ滝からバッファローへの線路で使用されるようである。前者はシャンク直径2-3/4インチで、ワイヤはピンのショルダーの上16-1/4インチで運ばれる。新しいナイアガラ線路では各ピンのシャンク直径は2-1/4インチだけだが、線ワイヤはショルダーの上10インチだけである。テストで、このナイアガラピンの軸に直角で絶縁体のトップに2,100ポンドの負担が必要でシャンクで破断することがわかった。この負担は線路のサービスで発生する計算された最大負担の約6倍である。
ここで言及されたピンのいくつかは、上記の標準ピンの仕様で提案されたものよりはるかに強い。古いナイアガラ線路のピンはシャンク直径2インチでステム長5-1/4インチだけだが、提案されたシャンク直径2インチのピンはステム長11インチである。コルゲートとオークランド線路ではシャンク直径2-1/8インチがステム長10-3/8インチに対応するが、提案されたこのサイズのシャンクのピンはステム長13インチである。シャンク直径2-1/4インチでは提案されたピンはステム長15インチだが、エレクトラ線路のこの直径のシャンクのピンはステム長12インチだけである。
新しいナイアガラ線路のピンのシャンク直径2-1/4インチはステム長7-3/4インチだけに対応する。新しいナイアガラピンは提案されたピンのほぼ2倍強い。なぜなら、ピンの強度はシャンクがステムに接合する場所でステム長に反比例し、他のすべての要因が同じだからである。
ショーウィニガン滝線路のピンはシャンク直径2-3/4インチでステム長13-1/2インチだが、提案された最大のピン、ステム長19インチのものはシャンク直径2-1/2インチだけである。
良い工学の利益で、ステム長約5インチでシャンク直径1-1/2インチの木製ピン、およびそれより長い強度のピンを高電圧の長い送電線路で廃棄すべきであると言っても過言ではない。これらのピンは電信と電話線路、およびNo. 6 B. & S.ゲージワイヤまたはそれより小さいローカル照明回路で良いサービスを提供し、そのような作業に残すのが良い。
送電作業の条件を満たすためには、ピンの形状とサイズの両方の変更が必要である。まず、シャンクとステムが接合するピンのショルダー、電信慣行の遺物は完全に廃棄すべきである。この変更はシャンク直径のピンでかなりの木材を節約し、シャンクとステムの接合部の鋭い角を避けることでピンの強度を増加させる。
もう一つの設計変更は、木材の劣化、特に電流破断による炭化を考慮してピンのステムに強度の余裕を残すことである。このピントップ近くの直径と強度の増加は、木材を旋盤で削らない限り必要的にそこにあるため、コストがかからない。各ピンのシャンクは古いタイプより比例的に短く、ピン穴はクロスアームを部分的にのみ穿つべきである。これによりピンとクロスアームの木材を節約し、与えられた分裂抵抗でクロスアームのサイズを小さくできる。
これらの一般設計の変更で、ピンはシャンクで単純な円筒で、シャンクからステムを形成するための緩やかなテーパーである。この設計の例、標準ピンのラインの基盤としてよく機能するものは、直径2インチでシャンク長3-1/2インチ、シャンクから長さ5インチでテーパーし、トップ直径1-1/2インチである。このピンのクロスアームの穴は深さ3-1/2インチで、深さ4-3/4インチのアームではピンの下に1-1/4インチの木材が残る。ピン穴の下端からクロスアームの底まで直径1/4インチの穴を水を排出するために走らせる。この短いものと同じ線引っ張りに耐えるよう設計された長いピンのラインは、No. 1 B. & S.ゲージワイヤまでの小さい導体に十分強い。
より大きなワイヤ、長スパン、線路の鋭い角度では、直径2-1/4インチでシャンク長4-1/2インチ、5インチでテーパーしトップ直径1-3/4インチ、または等しい強度の長いピンを使用すべきである。
ピン穴がクロスアームを通らない場合、線ワイヤの重量を支えるピンのショルダーの必要はない。新しいナイアガラ滝線路のクロスアームでは各ピン穴は深さ5インチで掘られ、穴の下に1インチの木材が残る。エレクトラからサンフランシスコへの線路では各ピン穴の深さは再び5インチで、クロスアームの深さは6インチである。
エレクトラ線路で使用されるピンは、温度210°Fの亜麻仁油のバットで数時間保持された。ショーウィニガン線路のピンはステアリン酸で煮沸された。すべての木製ピンは化学処理されるべきだが、この処理の目的は特定の絶縁値を付与するのではなく、腐敗を防ぐことである。
木製ピンの強度の不足と一部の場合の電流漏れによる破壊が、鉄と鋼ピンの使用につながっている。ワシントン州スポケーンのワシントン・パワー社の線路で使用されるそのようなピンは、長さ17-1/2インチ、直径1-1/8インチの軟鋼棒で、一端にシャンクを鋳造し、全長18インチである。鋳鉄シャンクは直径2-1/16インチで、上端に直径2-1/2インチのショルダーがある。ピンが穴から持ち上がるのを防ぐために、小さいねじがクロスアームのトップに入り、シャンクのトップ端に当たる。鋳鉄シャンクの上に鋼棒の長さは12インチで、トップから3/4インチ下から長さ3/4インチの部分が直径1インチに旋盤加工される。
このピンはトップに1,000ポンドの引っ張りで曲がり始めるが、ひどく曲がっても絶縁体を安全に支持すると言われる。
絶縁体は電線からピンへの表面アークを抵抗し防ぐ可能性があるが、送電回路の導体間のピンとクロスアーム上の大きな静かなエネルギーの流れを許容する可能性がある。この方法で1つの線ワイヤからもう1つへの電流の流れ速度は、絶縁体表面と空気を通ったピンとクロスアームへの各経路の総抵抗、それからこれらの部分に依存する。
ピンとクロスアームが完全に鉄の場合、ワイヤからワイヤへの経路の総抵抗は実質的に絶縁体表面のそれである。ピンとクロスアームが乾燥した木材の場合、回路のワイヤ間の経路の総抵抗の顕著な部分を提供する可能性があるが、木材が湿っている場合、その抵抗は大幅に低減される。
絶縁体表面と空気の抵抗が回路のワイヤからワイヤへの経路を完成させるのに比べて木製ピンとクロスアームの抵抗が小さい場合、導体間の電流の流れを抑制するこれらの木製部分の効果は相対的に重要ではないが、これらのピンとクロスアームの抵抗は耐久性に影響する可能性がある。
高圧回路の1つのワイヤからもう1つへのピンとクロスアーム上の電流は、それらに均等に分布した場合、これらの木製部分を傷つけないほど小さい可能性があり、しかしこの同じ電流が狭い経路に限定された場合、木材を炭化または焼損する可能性がある。そのような漏れ電流は、ピンとクロスアームの特定の部分の表面が他の部分より抵抗がはるかに低い場合、自然に均等に分布されなくなる。なぜなら、電流は可能な複数の経路を抵抗の逆比で分岐して従うからである。
これらの木製ピンとクロスアームに沿った相対的に低い抵抗の狭い経路は、それらが引きつける電流自体によって加熱され炭化され、経路の導電性とそこで発生する熱が互いに増加し、木材の破壊に向かう。
ピンとクロスアームの一部を他の部分より良い導体にする原因として、汚れと水分が集まる木材の亀裂、特定の場所で風により木材に堆積される塩の混合した塵、海霧がピンとアームの片側だけに吹き付けられ塩を堆積するなどが挙げられる。
事態を悪化させるために、木製ピンとクロスアームに相対的に良い導電性の経路を作成する同じ原因が、しばしば絶縁体表面による漏れ電流の抵抗を大幅に低下させる。このように、回路のワイヤからワイヤへのエネルギーの通過速度の増加と、このエネルギーの木製経路の特定の部分への集中が、時々同時に引き起こされる。使用される線絶縁体が乾燥した木製ピンとクロスアームの抵抗が回路のワイヤ間の総抵抗の重要な部分を形成するように設計された場合、雨や濃霧が導体間のこれらの木製部分上のエネルギーの通過速度を非常に大きく増加させる可能性がある。
線導体に中程度の電圧だけが運ばれる限り、ピンとクロスアームの炭化と焼損は非常に珍しいことだったが、長回路で非常に高圧の適用により、漏れ電流の熱によるこれらの木製部分の破壊が送電システムへの深刻な脅威となった。低電圧でも、線絶縁体が非常に悪い場合や、天候と飛散塵の条件が十分に厳しい場合、ピンとクロスアームの炭化と焼損がある可能性がある。
アメリカ電気工学協会のトランザクション第20巻435から442ページと471から479ページでは、いくつかの送電線路のピンの炭化と焼損の記述があり、以下の例のいくつかがそこから取られた。
1つの事例では、ある化学工場の近くを走る線路がピンの焼損で多くトラブルを起こしたと言われ、電圧は440だけ、絶縁体は10,000ボルト回路用に設計された。雨天では絶縁体、ピン、クロスアームが化学堆積物から洗い流され、ピンの焼損はなかった。ユタ州の40,000ボルトプロボ線路のセクションで塩の混じった塵が絶縁体、ピン、クロスアームに堆積されるため、類似のトラブルが発生した。708ページでは、霧、塵、雨がピンの焼損を多く引き起こした2,000ボルト線路が言及されている。
回路が40,000から60,000ボルトで運転される場合、漏れ電流による木製ピンの深刻なトラブルを発生させるのに非常に厳しい気候条件は必要ない。たとえ長い回路でサービスに入った最大で最良のタイプの絶縁体が使用されても。この線に沿った印象的な例は、カリフォルニア州コルゲートとオークランド間の送電システムとエレクトラとサンフランシスコ間で見られる。これらのシステムの両方は60,000ボルトでエネルギーを送電するよう設計されたが、実際の運転圧力はサービスの多くの期間で約40,000ボルトに制限されたようである。
これらの送電線路の両方で単一のタイプとサイズの絶縁体が使用され、長い回路でサービスに入った最大のものの一つである。これらの絶縁体の各々は直径11インチで、下縁からトップまで高さ11-1/4インチ、線ワイヤは中央トップ溝で運ばれる。これらの2つの線路で使用される木製ピンはサイズが少し変化し、エレクトラ線路では各ピンがクロスアームの上11-1/2インチに立つが、コルゲート線路では対応する距離は12インチである。絶縁体は各場合同じサイズなので、各絶縁体の下縁とクロスアームトップ間のピンの長さはコルゲート線路で4インチ、エレクトラ線路で3-1/2インチである。
後者の線路では、絶縁体から完全に分離され接触しない磁器スリーブが、各ピンをクロスアームのトップから絶縁体の下縁の上ポイントまで覆う。コルゲート線路では各絶縁体がネジ山のトップから下2-1/2インチでピンと接触し、エレクトラ線路では各絶縁体のピンとの接触がネジ山のトップの下3-1/2インチまで走る。これにより、コルゲート線路では絶縁体接触と各クロスアームトップ間のピンの長さが9インチ、エレクトラ線路では対応するピンの長さが8-1/2インチになる。この8-1/2インチのピン表面のうち、約6インチがエレクトラ線路の各ピンに使用される磁器絶縁スリーブで覆われ、各ピンの長さの約2-1/2インチだけが絶縁体から直接空気を通じた電流漏れにさらされる。これらのピンのサイズは両方とも亜麻仁油で煮沸されたユーカリ木材である。
コルゲート線路のノース・トマーとコーデリア間のポールから取られた3つのピンの各々は、湿った海洋風に面した側でひどく炭化され焼損していた。この炭化は各ピンを絶縁体が接触するポイント、ネジ山の下少しから、下9インチのクロスアームトップまで延びていた。これらのピンの2つはクロスアームの反対端に位置し、3番目はポールのトップに固定されていた。このクロスアームはピンと同様に炭化または焼損されていたが、ピンが支持する絶縁体に欠陥は検出できなかった。
これらの3つのピンに関しては、最も合理的な説明は、各絶縁体の外側と内側表面と空気を通じた十分な電流が漏れ、ピンとクロスアームを炭化させたようである。各ピンを下る電流は、自然に海洋の湿った風にさらされた側に集中した。なぜなら、これらの風による水分堆積がその側の抵抗を低下させたからである。これらの風が吹かない時、ピンが片側で炭化される前に、その抵抗は周囲でほぼ同じで、ピンに分布された漏れ電流はそれを炭化するのに十分ではなかった。湿った風はもちろん各絶縁体の表面抵抗を低下させ、これとピンとクロスアームへの水分堆積はワイヤからワイヤへの総抵抗を大幅に低減させた可能性がある。
これらのピンに使用された絶縁体は各々2つのペチコートを持ち、上部が直径11インチ、下部が直径6-1/2インチで、小さいペチコートの下縁が大きいペチコートの外側下縁の下7-1/2インチである。大きいペチコートの内側表面が小さいペチコートの内側表面より水平面に近いため、水分がより容易に保持され、湿天での絶縁体の表面抵抗の大部分は小さいペチコートの内側にあったはずである。その下縁で小さいペチコートは径方向にピンから約1-3/4インチ離れ、この下縁の上5-1/2インチの実際の接触まで小さいペチコートの内側表面とピン間の距離が徐々に減少した。
この場合の線ワイヤからピンへの電流経路は、まず絶縁体表面全体を小さいペチコートの下縁まで、次にこのペチコートの内側表面を上って一部、空気を通って一部のようである。これらの3つのピンの各々で炭化はネジ山のすぐ下で下ほど悪かったので、漏れ電流の大部分が小さいペチコートの内部表面を上ったようである。これらのピンの炭化部分はトップ近くのネジ山やクロスアームに適合する部分に少ししか、または全く延びなかった。各ピンのクロスアームに入る部分の保存は、ピンと比較したクロスアームの表面増加と抵抗減少によるようである。各ピンのネジ山部分の保存は、水分からの保護と高い抵抗のためで、それを通る電流がほとんどまたは全くなかった。
同じ線路から取られたもう一つのピンはネジ山の下約1.75インチのポイントでひどく焼損していたが、炭化スポットの下の2ポイントで完全に切断した場合、全断面が完全に健全で焼損の兆候がなかった。このピンの状態の説明は、焼損部分の抵抗が追加の保護と乾燥のためピンの下部より高く、電流通過で大部分の熱を発生したためかもしれない。しかし、このピンがネジ山のすぐ下だけ焼損し、同じ線路の同じ種類の他のピンがネジ山からクロスアームまで炭化された理由は明らかではない。
この同じ線路のいくつかのピンで気づかれたもう一つの奇妙な結果は、ネジ山の柔らか化で指でこすり落とせることである。
ピンと絶縁体の関係。
+——————————+——-+——–+——–+————-+
| |線路の |絶縁体 |絶縁体 |絶縁体で覆わ|
| 線路の場所。 |電圧 |の直径 |の高さ |れたピンの長|
| | | | |さ |
+——————————+——-+——–+——–+————-+
| | |インチ |インチ | インチ |
|エレクトラからサンフランシスコ| 60,000| 11 | 11-1/4 | 12 |
|コルゲートからオークランド | 60,000| 11 | 11-1/4 | 8 |
|カノン・フェリーからビュート | 50,000| 9 | 12 | 10-1/2 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| 50,000| 10 | 13 | 10-1/4 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 33,000| 6-3/4 | 4-7/8 | 2-1/2 |
|ユタ湖周辺のプロボ | 40,000| 7 | 5-3/4 | 4-3/4 |
|スピア滝からシェネクタディ | 30,000| 8-1/2 | 6-3/4 | 5-1/4 |
|ナイアガラ滝からバッファロー | 22,000| 7-1/2 | 7 | 5 |
+——————————+——-+——–+——–+————-+
柔らかくなったネジ山の木材は炭化されていないが、酸っぱい味があり、消化された木材パルプに似ていると言われる。この方法で木製ピンのネジ山が破壊される間、ピンの残りは完璧で炭化を示さない可能性がある。
ピンと絶縁体の関係。
+——————————+———-+———-+———–+
| |絶縁体と |外側ペチ |最低ペチ |
| |クロスアー|コートから|コートから |
| 線路の場所。 |ムの間の |ピンへの |ピンへの |
| |ピンの長さ|空気を通 |空気を通 |
| | |った距離 |った距離 |
+——————————+———-+———-+———–+
| | インチ | インチ | インチ |
|エレクトラからサンフランシスコ| 0 | 10-1/2 | 3-1/2 |
|コルゲートからオークランド | 3-1/2 | 10 | 2-1/2 |
|カノン・フェリーからビュート | 1-1/2 | 0 | 1-1/2 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| 3-1/4 | 9-1/2 | 1 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 3-1/2 | 2-3/4 | .. |
|ユタ湖周辺のプロボ | 3-1/2 | 2-1/2 | .. |
|スピア滝からシェネクタディ | 4 | 4 | 5/8 |
|ナイアガラ滝からバッファロー | 3 | 4-1/2 | 2 |
+——————————+———-+———-+———–+
この木製ピンのネジ山の崩壊の説明として、これらのピンのトップが白色粉末に還元されたものがナイアガラ滝とバッファロー間の線路から取られ、電圧22,000で、この粉末の分析で硝酸塩であることがわかった。この塩は木材への硝酸の作用の結果と考えられ、酸は絶縁体とピンのネジ山間の空気の酸素と窒素に作用する静電放電で形成されたと仮定された。この見解を支持して、ナイアガラ滝の亜鉛メッキ鉄ワイヤの実験線路がほぼ4ヶ月連続で75,000ボルトで運転され、約2マイルの全長で黒くなったと言われた。この表面崩壊は通常の空気の作用によるものではなく、同じ場所の類似ワイヤは電気導体として使用されない時明るく残った。
これらの事実から、75,000ボルト電流を運ぶワイヤからのブラシ放電が空気の酸素と窒素から硝酸を発生し、この酸がワイヤを攻撃したようである。
上記の一つのエレクトラ線路で使用されたピンはネジ山の下少しのポイントでひどく炭化され焼損されていた。電流の炭化経路もピンの側面をクロスアームまで下に追跡できたが、この経路はピンのトップ近くのスポットほどひどく焼損していなかった。
おそらくサンタアナ川とロサンゼルス間の送電システムの一部である33,000ボルト線路からの複合ピンは、片側の狭いストリップに沿って木製ネジ山を通じて中央鉄ボルトまで焼損していた。この線路で焼損したすべてのピンは上記の方法で電流の影響を示したが、クロスアームは焼損せず、絶縁体の穿孔はほとんどなかった。
複合ピンは長さ10-5/8インチ、直径1/2インチの中央鉄ボルトで、木製ネジ山の上に薄いヘッドを持ち、長さ2-5/8インチでネジ部分直径1インチの木材スリーブ、上端直径1-1/4インチ、下端2-11/16インチの長さ3-1/8インチの磁器スリーブで構成された。木材と磁器のスリーブは中央鉄ボルトに被せられ、クロスアームの上にピンの部分が5-7/8インチ測られる。この場合、漏れ電流の経路は絶縁体の外側と内側表面を越え、次に木材スリーブを通って中央ボルトとクロスアームのようである。
上記の事実から、木製ピン上の絶縁体で支持された長い高電圧送電線路の永続性と信頼性への深刻な脅威が示される。そのような結果が上記の線路で遭遇された場合、使用された絶縁体のいくつかは最大で最良の設計であるため、漏れ電流の類似の破壊効果が高電圧で運転する他の多くの線路で発生していると仮定するのは公平である。
絶縁体自体の拡大や改善が言及された方法の一つで木製ピンの破壊を完全に避けるかどうかは少なくとも疑わしい。線ワイヤと木製ピン間の空気を通じた距離と絶縁体表面、外側と内側の両方をさらに延ばすことで、後者の炭化と焼損を防ぐ可能性はあるが、確かではない。絶縁体部品でクロスアームの上にピンの大部分を覆う方法で多くがすでに実施されたが、この方法で最もよく保護されたピンの部分でさえ焼損から自由ではない。
したがって、コルゲート線路では各ピンの8インチが絶縁体の内部表面で保護されるが、これらのピンはネジ山近くの上に炭化され、下のクロスアーム近くほど悪かった。エレクトラ線路では、各絶縁体の内側ペチコートの上ポイントまでクロスアームからピン周囲に磁器スリーブが走り、クロスアームの上にピンの全長が保護される。カノン・フェリー線路では、絶縁体の機械的に分離された部分を事実上形成するガラススリーブが、ネジ部分からクロスアームの1.5インチ以内にピンを保護する。
ショーウィニガン滝からモントリオールへの線路の絶縁体は各々長さ13インチで、クロスアームの1.5インチ以内にピンを延ばす。サンタアナ線路の各ピンの焼損部分はネジ山を運ぶもので、線ワイヤから最大の表面距離で分離された絶縁体の部分と実際に接触していた。
ピンの焼損以外に、コルゲートとナイアガラ線路の事例で示されたように、絶縁体のトップ内部で発生する何らかの化学作用によるネジ部分の破壊がある。絶縁体の改善が化学作用を必ず防ぐとは思われない。
絶縁体の表面抵抗を増加させて漏れ電流による木製ピンの焼損を防ぐのが実用的でない場合、絶縁ピンの代わりに導電ピンを置き換えることでトラブルを解決する可能性がある。絶縁体、ピン、クロスアームがワイヤからワイヤへの漏れ電流の経路を形成するため、木製ピンは抵抗、特に乾燥時で熱を発生させる。鋼や鉄のピンではこの熱は微々たるもので損傷しない。与えられた絶縁体の設計で鉄ピンではワイヤからワイヤへの漏れ量は木製ピンよりいくらか大きいだろう。
しかし、現在絶縁体と木製ピンの組み合わせ抵抗まで新しい絶縁体の抵抗を増加させる方が、焼損したピンを交換するより安いだろう。
手元のすべての証拠から、表面上の電流漏れを単なるエネルギー損失として許容範囲内に低減する絶縁体が、鉄ピンでも木製ピンの炭化と破壊を防がないようである。
[イラスト: FIG. 90.–モンタナ州カノン・フェリーとビュート間の50,000ボルト線路のガラス絶縁体とスリーブ。]
絶縁体が乾燥して清潔である限り、表面上の電流漏れの抵抗はすべて必要で、絶縁体を運ぶピンの抵抗は小さい重要性である。絶縁体の抵抗がピンの抵抗で強化される必要がある場合、それは絶縁体の表面が湿っているか汚れている時である。不幸にも、絶縁体に汚れや水分を堆積させる同じ天候条件がピンに類似の堆積を引き起こし、そのような堆積によるピンの抵抗の低下は絶縁体のそれよりはるかに大きい。雨と霧中の絶縁体表面の電流漏れの増加は通常絶縁体自体に損傷を与えないが、湿ったピン上のそのような漏れは、一時的に抵抗を低下させた水分がなくなった後も良い導体として作用し続ける炭素の表面層をすぐに発生させる。これらのような理由が、線路に使用される電圧に必要なすべての抵抗を提供する絶縁体で鉄ピンを好むエンジニアを生んだ。
鉄ピンの使用が炭化と焼損を木製クロスアームに移すと提案される可能性があるが、これは必要な結果ではないようである。木製ピンが使用される場合のクロスアームの炭化と焼損からの比較的自由は、クロスアームのより大きな表面と低い抵抗によるようである。小直径のシャンクを持つ鉄ピンでは、ピンと木製クロスアーム間の接触表面の面積が相対的に小さいため、この接触表面で木材のいくらかの炭化がある可能性がある。この種のトラブルを防ぐのが望ましいと思われる場合、クロスアームと接触する鉄ピンの表面を大型ワッシャーの使用で十分にし、各ピンのシャンクを他の場所より大きい直径に与える。
直径1/2インチの中央鉄ボルトを持つピンが33,000ボルトのサンタアナ線路で使用され、中央ボルトのトップ周囲の木製ネジ山が焼損した場合にクロスアームの焼損を引き起こさなかったと言われたことに注意する。
鉄ピンのもう一つの可能なトラブルは、ガラスまたは磁器より大きな膨張率で絶縁体を破損することである。そのような結果は、絶縁体をピンにねじ込む代わりに各鉄ピンを絶縁体にセメントで固定することで容易に避けられる。鉄ピンは木製よりいくらか高価になるが、このコストは送電線路の総投資の小さい割合だけである。木製ピンの更新コストを考慮すると、電圧と他の条件が頻繁な焼損を引き起こす線路では、鉄ピンが最終的に安いことは疑いない。
鉄ピンはすでに多くの高電圧線路で採用されている。鉄ピンだけでなく、鉄クロスアームと鉄ポールさえ多くの送電線路で使用されている。メキシコで現在建設中の長い線路では、木製ポールの代わりに400フィート離れた鉄塔が使用され、ピンとクロスアームも鉄である。ナイアガラ滝からトロントへの75マイル線路は完全に鋼鉄塔で運ばれる。
ブリティッシュコロンビア州バンクーバーのバンクーバー・パワー社は、長さ約12インチの鋼ボルトで、クロスアームに入る長さ4-1/2インチの鋳鉄スリーブと絶縁体にねじ込む鉛ネジ山を備えたピンを使用する。ワシントン州スポケーンのワシントン・パワー社の111マイル線路、60,000ボルトで運転するよう設計され、スタンダードとヘクラ鉱山まで走るピンは、直径1-1/8インチの鋼棒で、クロスアームに入る直径2-1/16インチの鋳鉄シャンクと絶縁体の鉛ネジ山を持つ。
[イラスト: FIG. 92.–スピア滝線路の鉄ピン。]
ニューヨーク州スピア滝、シェネクタディ、アルバニー、トロイ間の送電線路ネットワークでは、絶縁体は2つのタイプの鉄ピンで支持される。これらのピンの1つは、角とワイヤ線路の負担が異常に重い場所で使用され、直径3/4インチでヘッド上長さ16-1/2インチの錬鉄ボルトと長さ8-3/4インチの可鍛鉄鋳造で構成される。この鋳造は下端にクロスアームのトップに置かれる5 x 3-3/4インチのフランジを持ち、ボルトは鋳造のトップから下を通ってそれとクロスアームを通る。ボルトの下端にネジ山が切られ、ナットとワッシャーでクロスアームに固定される。このピンのクロスアームの上総高は9-1/4インチである。
この線路の直線作業では、ステムが完全に可鍛鉄で、クロスアームを通って上がり鋳造のベースに入るボルトを持つピンが使用される。このピンの鋳造トップは4つの垂直ウェブを持ち、クロスアームのトップに置かれる長方形ベースは3-1/2 x 4インチである。クロスアームを通って上がり鋳造のベースにタップするボルトは直径3/4インチである。このピンの鋳造部分は長さが絶縁体のトップをクロスアームの上10-3/4インチで運ぶ。鋳造の長さは9-1/4インチである。
スピア滝線路で使用される鉄ピンの両タイプは、絶縁体が逆さまの時に液体でピン穴に注がれ、ピンが穴の中央に保持されたポートランドセメントで絶縁体に固定される。各鋳造のトップは絶縁体の穴より直径が小さく、セメントを保持するために溝が切られる。
[イラスト: FIG. 93.–トロントとナイアガラ線路の標準ピン。]
カリフォルニアで最近完成した60,000ボルト用に設計された長い線路では、木製ピンが磁器絶縁体で使用され、各々直径14インチ、高さ12-1/2インチである。これらのピンの各々はクロスアームからネジ山端までシート亜鉛で完全に覆われ、この金属カバーが漏れ電流による木材の損傷を防ぐと期待される。
第二十一章
送電線路の絶縁体。
線絶縁体、ピン、クロスアームは、送電回路のワイヤ間の導電性の高い経路を構成する要素の一つである。各場合で1つの導体からもう1つへのこれらの経路に沿って流れる電流量は、各ポールの絶縁体、ピン、クロスアームの組み合わせ抵抗に依存する。
高電圧送電回路のワイヤは、一般的に裸で使用される。なぜなら、連続被覆はコストを大幅に増加させるが、高電圧に対する有効絶縁の増加はわずかだからである。一部の事例では、高圧送電線路のワイヤが都市に入る短い距離で個別の被覆を持つが、しばしばそうではない。ニューハンプシャー州マンチェスターでは、水力発電所からの裸導体が都市境界内のかなり内側にある変電所に12,000ボルトで入る。シャンブリーの水力発電所から、裸の25,000ボルト回路がビクトリア橋を越えてセントローレンス川を渡った後、モントリオールのウォーターフロント近くのターミナルハウスまで架空で通る。ゼネラル・エレクトリック工場の到達のため、スピア滝からの30,000ボルト回路がニューヨーク州シェネクタディの都市境界に裸の架空導体で入る。
送電線路が腐食性ガスのある地域を通過する場合、ワイヤに個別の耐候被覆を与えることが望ましい場合がある。このような事例はナイアガラ滝近くで発生し、バッファローへの回路を形成するアルミニウム導体がアスファルト飽和の編組でいくらかの距離覆われる。
線絶縁体の表面とそれを支持するピンとクロスアームで形成される各経路は、それを通る漏れ電流で表されるエネルギーを無駄にするだけでなく、この電流でピンとクロスアームの炭化と焼損を引き起こす可能性がある。そのような焼損を防ぐため、主な信頼はピンとクロスアームの抵抗ではなく絶縁体の表面抵抗に置かれるべきである。これらの絶縁体はガラスまたは磁器で作られ、油なしで乾燥して使用されるべきである。一部の初期送電線路では、絶縁体の下縁が内側に上向きに曲げられ、絶縁体本体の下に円形の溝が形成され、この溝に重い石油が満たされた。しかし、この油の溝が汚れを集め、ワイヤとクロスアーム間の絶縁を低下させる傾向があることがわかり、この慣行はすぐに放棄された。ガラスと磁器の絶縁体は高圧線路での使用の競争相手で、各々に独自の利点がある。磁器絶縁体はガラスより機械的に強く、ガラス絶縁体が朝の熱い太陽にさらされて内部不等膨張で割れる結果が時々発生するのに対し、耐えやすい。ガラス絶縁体に有利な点として、その絶縁特性がかなり均一で、磁器とは異なり、内部欠陥が検査でしばしば明らかになることが挙げられる。大型磁器絶縁体の内部欠陥を避けるため、一部の設計をいくつかの部品で製造し、各絶縁体の部品をセメントで結合する必要があった。
欠陥絶縁体は2つのクラスに分けられる：線電圧で穿孔され破損するものと、表面を越えてピンとクロスアームに過度の電流を許容するもの。絶縁体が穿孔され破損した場合、それに取り付けられたピン、クロスアーム、ポールが焼損する可能性がある。絶縁体の表面上の電流漏れが大きい場合、使用される線路でのエネルギー損失が深刻になるだけでなく、このエネルギーはワイヤからワイヤへの経路でピンとクロスアームをたどり、前者を徐々に炭化し、最終的に火災を引き起こしたり機械的強度の不足で破断したりする。絶縁体表面の放電は量が大きく破壊的性質を持つ可能性があり、容易に見える。より頻繁に絶縁体上のこの表面漏れ電流は目に見えず静かな種類で、それでもピンとクロスアームを炭化し弱め、さらには火災を引き起こすのに十分な量である可能性がある。
ガラスまたは磁器で作られたすべての絶縁体は、高圧線路で実用的に使用される前に、穿孔抵抗を決定するための電気テストと、導体間の表面電流漏れを抑える能力をテストすべきである。経験から、検査だけでは欠陥ガラス絶縁体を検出できないことが示された。絶縁体の電気テストは、ガラスと磁器に時間要素があるため、それらが実用サービスでさらされる電圧よりはるかに高い電圧を使用し、穿孔の危険が少ないことを決定するのに役立つ。絶縁体の外側部分が湿っているか乾燥しているかで表面上の電流の破壊放電を引き起こす電圧を決定することも可能である。これが通常の電気テストの範囲だが、そのようなテストは絶縁体が湿っている時と乾燥時の両方で、回路が運ぶ予定の電圧で表面上の静かで目に見えない漏れ量も決定すべきであるように思われる。そのような静かな漏れのテストは重要である。なぜなら、この種類の漏れが絶縁体ピンを炭化し弱め、エネルギーの無駄を表すだけでなく、ピンとクロスアームに火災を引き起こすからである。
絶縁体のテストに使用される電圧は、特定のテストの目的に応じて量を変えるべきである。ガラスと磁器のような多くの固体絶縁体は、数分間耐えられる電圧で穿孔を引き起こすが、無期限に続けば穿孔する。この点でこれらの絶縁体は空気とは異なり、空気はさらされる電圧が永久に耐えられない量に達するとすぐに破壊放電を許容する。このガラスと磁器絶縁体の特性のため、穿孔テストではそれらが永久にさらされるものよりはるかに高い電圧を使用する必要がある。良い慣行では、絶縁体を穿孔テストで送電線路で永久に支持する回路の電圧の少なくとも2倍でテストするのが望ましい。
ナイアガラ滝からバッファローへの最初の送電線路、11,000ボルトで運転するよう設計されたものでは、磁器絶縁体が支持する回路のほぼ4倍の40,000ボルトで穿孔テストされた。
ナイアガラ滝とバッファロー間の2番目の線路の磁器絶縁体は、送電電圧が22,000に上げられた後、60,000ボルトで穿孔テストされた。これらの60,000ボルトでテストされた絶縁体のうち、欠陥は約3パーセントだけだった。これらの穿孔テストは、各絶縁体を逆さまに塩水を2インチ深さで含むオープンパンに置き、絶縁体のピン穴を塩水で部分的に満たし、次にテスト回路の1つの端子をピン穴の金属棒に、もう1つをパンに接続して実施された。これらのテストでは通常のように交流電流が使用された（A. I. E. E.トランザクション第18巻514から520ページ）。スピア滝、シェネクタディ、アルバニー、トロイ間の送電線路、電圧30,000では、絶縁体が24時間水に浸された後、5分間75,000ボルトの穿孔テストに耐える必要があった。
穿孔テストの適切な継続時間については意見の相違があり、一部の場合は各絶縁体で1分だけ継続し、他の場合は5分以上である。一般に、テスト電圧が絶縁体が定期的に使用されるものと比較して高いほど、テスト期間は短くすべきである。上記のように塩水でテストする代わりに、絶縁体をネジ山に適合するサイズの鉄ピンにねじ込み、次にテスト回路の1側をピンに、もう1側を絶縁体のワイヤ溝に接触させる。鉄ピンがテストまたは通常の線作業で使用される場合、ピンが絶縁体のトップに強くねじ込まれないように注意すべきである。これによりトップが割れる傾向があり、特にピンと絶縁体の温度が上昇した場合である。鉄はガラスまたは磁器よりはるかに高い率で膨張し、鉄ピンを絶縁体にねじ込む代わりにセメントで固定するのが望ましい。絶縁体が取り付けられた鉄ピンの膨張による厳しい機械的ストレスにさらされた場合、絶縁体がより容易に穿孔されると思う理由があるようである。
絶縁体のテストに使用される電圧は通常交流で、圧力曲線の形状は重要であり、特に絶縁体の表面を線ワイヤからピンへのアークが発生する電圧を決定する手段としてである。2つの交流電圧曲線の平均二乗の平方根または平均有効電圧、ボルトメーターで読まれるものは、同じでも2つの曲線の最大電圧が大きく異なる可能性がある。絶縁体の穿孔テストでは、ガラスと磁器に時間要素の影響のため、圧力曲線の最高点で示される最大電圧より適用される平均交流電圧が重要である。一方、テストが線ワイヤからピンへの絶縁体表面上の電流の破壊放電を引き起こす電圧を決定する場合、空気に時間要素がないため、圧力曲線の最大値を考慮すべきであるが、瞬間的な電圧の下で破壊放電を許容する。
送電システムで使用される交流発電機は通常、それらが発生する圧力の瞬間値で正弦曲線にほぼ準拠し、したがって線絶縁体のテストを値が正弦曲線に従う電圧で実施するのが望ましい。単一の変圧器または直列のいくつかの変圧器を必要な電圧に昇圧するために使用できるが、単一の変圧器は通常より良い調整と高い精度を与える。ニードルポイント間のエアギャップはテスト回路の平均電圧を決定するのにあまり満足できない手段である。なぜなら、上記のようにニードルポイント間のスパーク距離は主に電圧の最大瞬間値に依存し、発電機の負荷と磁石の飽和で変化する可能性があるからである。正確な結果のため、テスト回路に降圧ボルトメーター変圧器を使用すべきである。
穿孔テストに耐える絶縁体は、線ワイヤからピンへの表面アークが発生する電圧のテストでひどく失敗する可能性がある。このアークオーバーテストは絶縁体の外側表面が湿っている時と乾燥時の両方で実施すべきである。このテストの目的で絶縁体を鉄ピンまたは錫箔で覆われた木製ピンにねじ込み、次にテスト回路の1ワイヤを絶縁体の溝に固定し、もう1ワイヤをピンの鉄または錫箔に接続する。絶縁体表面の線ワイヤからピンへのアークを引き起こす電圧は、その表面と空気の状態に依存する。高い標高で見られる軽い空気では、アークが海面近くの乾燥空気より長い距離を跳ぶ。霧は与えられた電圧が線ワイヤと絶縁体ピン間を跳ぶ距離を増加させ、重い雨は距離をさらに長くする。雨の降水量が大きいほど、与えられた電圧が絶縁体の外側表面をアークオーバーする距離が大きい。落下水が絶縁体表面に当たる角度もその表面をアークオーバーするのに必要な電圧に影響し、絶縁体のペチコートの下縁の平面に垂直な降水からの逸脱が与えられた電圧のアーク距離を増加させるようである。
絶縁体は実用で遭遇する最も厳しい条件に近似した条件下でアークオーバーテストを与えるべきである。これらの条件は、絶縁体の最大ペチコートの縁で含まれる平面の各平方インチで5分間に1インチの深さの降水量で、落下水の方向がその平面と45度の角度をなす降水でかなり表される可能性がある。水平面での深さ1インチの降水は、米国気象局で記録されたものより少し大きいようである。上記の厳しい条件の下で、線ワイヤからピンへの絶縁体表面のアークオーバーに必要な電圧は、絶縁体が使用される回路の通常電圧より少なくともいくらか大きいべきである。最大電圧30,000のスピア滝とシェネクタディ間線路では、絶縁体が湿った時42,000ボルトのテストに耐え、線ワイヤからピンへのアークなしでなければならない。これらの湿テストでは、水を雨のように絶縁体表面に均等に噴霧し、与えられた時間で絶縁体に当たる水の量を測定すべきである。
絶縁体の外側が雨で湿っている時、線ワイヤと絶縁体ピン間の抵抗の大部分が絶縁体のペチコートの内側表面で提供されることは明らかである。この理由で、湿った外側表面でアークが形成されないように非常に高い電圧に耐える絶縁体は、ペチコートの下に広い乾燥表面を持つ必要がある。一部の高電圧線路では、このアーク距離を増加させるため、絶縁体の下側をベル形ではなく適度に凹状にする相対的に大きな直径の外側ペチコートを与える、いわゆる傘タイプを採用した。このタイプの絶縁体を大型で長いピンに取り付けると、傘のようなペチコートの下縁をピンとクロスアームから遠く離すことができる。高電圧のそのような絶縁体では、大型ペチコートのの下に通常1つ以上の小さいペチコートまたはスリーブがあり、ピンを下に走り、最大ペチコートの下縁とピン間の距離を増加させる。
送電線路の絶縁体。
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| | |絶縁体 |絶縁体 |絶縁体 |
| |線路の |の素材 |の直径 |の高さ |
| 線路の場所。 |電圧 | |(インチ)|(インチ)|
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|エレクトラからサンフランシスコ | 60,000|磁器 | 11 | 11-1/4|
|コルゲートからオークランド | 60,000|磁器 | 11 | 11-1/4|
|カノン・フェリーからビュート | 50,000|ガラス | 9 | 12 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| 50,000|磁器 | 10 | 13-1/2|
|ユタ湖周辺のプロボ | 40,000|ガラス | 7 | 5-3/4|
|サンタアナ川からロサンゼルス | 33,000|磁器 | 6-3/4 | 4-7/8|
|スピア滝からシェネクタディ | 30,000|磁器 | 8-1/2 | 6-3/4|
|アップル川滝からセントポール | 25,000|ガラス | 7 | 5-3/4|
|シャンブリーからモントリオール | 25,000|磁器 | 5-1/2 | 6-1/2|
|ナイアガラ滝からバッファロー | 22,000|磁器 | 7-1/2 | 7 |
|ポーツマスからペルハム、N. H. | 13,000|磁器 | 5-1/4 | 3-3/4|
|ガービンズ滝からマンチェスター、N. H.| 12,000|ガラス | 5 | 4-3/4|
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同じタイプの絶縁体がエレクトラとサンフランシスコ間およびコルゲートとオークランド間の60,000ボルト線路で使用され、各絶縁体が直径11インチの外側ペチコートと直径6-1/2インチの内側ペチコートまたはスリーブを持つ。この内側ペチコートは外側ペチコートの下7-1/2インチでピンを下に走る。上記の線路の各々で、外側ペチコートの下縁からクロスアームへの空気を通った距離はエレクトラ線路で11インチ、コルゲート線路で11-1/2インチである。各絶縁体の内側ペチコートのの下縁はエレクトラ線路で約3-1/2インチ、コルゲート線路で約4インチのクロスアームの上である。
送電線路の絶縁体。
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| |トップ |外側ペチ |最低ペチ |外側の |
| |からクロ |コートか |コートか |縁から |
| 線路の場所。 |スアーム |らクロス |らクロス |最低ペチ |
| |までの |アームま |アームま |コートの |
| |インチ |での |での |縁までの |
| | |インチ |インチ |インチ |
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|エレクトラからサンフランシスコ| 14-1/2 | 11 | 3-1/2 | 7-1/2 |
|コルゲートからオークランド | 15 | 11-1/2 | 4 | 7-1/2 |
|カノン・フェリーからビュート | 13-1/2 | 7-3/4 | 1-1/2 | 6-1/4 |
|ショーウィニガン滝からモントリオール| 16-1/4 | 11-3/4 | 3-1/4 | 8-1/2 |
|サンタアナ川からロサンゼルス | 8-5/8 | 3-3/4 | 3-3/4 | 0 |
|スピア滝からシェネクタディ | 10-3/4 | 7-3/8 | 4-1/4 | 3-3/8 |
|ナイアガラ滝からバッファロー | 10 | 5-1/2 | 3 | 2-1/2 |
|シャンブリーからモントリオール| 8-1/2 | 4-1/2 | 2 | 2-1/2 |
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この表の上記の線路の各々でワイヤは絶縁体のトップに張られる。
カノン・フェリー線路は各々3つの短いペチコートと長さの別々のスリーブを持つ絶縁体で運ばれ、スリーブはクロスアームの1-1/2インチ以内にピンを下に走る。このスリーブはピン穴近くで絶縁体と接触する。この線路の各絶縁体の外側ペチコートはクロスアームの上7-3/4インチで、スリーブの下端の上6-1/4インチである。この場合の主絶縁体とスリーブの両方はガラスである。
白色磁器絶縁体は50,000ボルトのショーウィニガン線路を支持するために使用され、最近の設計である。これらの絶縁体の各々は中央ステム周囲に3つのペチコートがあり、下縁がトップの下4-1/2インチ、9インチ、13インチである。最高のペチコートは直径10インチ、中間は9-3/4インチ、最低は4-1/4インチである。この絶縁体の高さは13インチで、エレクトラとコルゲート線路で使用されるものと比較して11-1/4インチ、カノン・フェリー線路で使用される組み合わせ絶縁体とスリーブで12インチである。この絶縁体をピンに取り付けた時、ワイヤをクロスアームの上16-1/4インチに保持し、エレクトラで対応する距離14-1/2インチ、コルゲートで15インチ、カノン・フェリー線路で13-1/2インチと比較する。これらの絶縁体の2つの上部ペチコートは最低のものより凹状がはるかに少なく、3つのすべての縁はそれぞれクロスアームの上11-3/4、7-1/4、3-1/4インチである。トップの縁から底のペチコートの縁までの直接距離は8-1/2インチである。
上記の50,000から60,000ボルトで運転する3つの送電線路のうち、ショーウィニガン滝とモントリオール間が線ワイヤと絶縁体ペチコートとクロスアーム間の距離でリードする。電圧33,000のサンタアナ線路では、絶縁体はより通常のタイプで、磁器、直径6-3/4インチ、高さ4-7/8インチ、3つのペチコートの下縁が同じ平面である。これらの絶縁体の各々はワイヤをクロスアームの上8-5/8インチに保持し、すべてのペチコートをクロスアームの上3-1/2インチに持つ。上記のように木製ピンに取り付けられる3つの絶縁体とは異なり、このサンタアナ絶縁体は鉄芯、木製ネジ山、磁器ベースを持つ。このベースはクロスアームから上3-1/8インチ延び、絶縁体のネジ山が切られた木製スリーブはピンの中央ボルトを上から磁器ベースのトップまで下に走り、ペチコートの下5/8インチである。
スピア滝からの30,000ボルト線路は三重ペチコート磁器絶縁体でクロスアームの上10-3/4インチで運ばれる。これらの絶縁体の各々は直径8-1/2インチ、高さ6-3/4インチで、3つの部品をセメントで結合して構築される。各絶縁体の鉄ピンは純粋なポートランドセメントでセメント固定され、外側ペチコートを7-1/2インチ、最低ペチコートをクロスアームの上4-1/4インチに運ぶ。スピア滝線路の電圧が約13,000から30,000に上げられた時、一部で一部品磁器絶縁体で運ばれる回路で、これらの絶縁体の多くが高い圧力で穿孔され、結果として一部のクロスアームとポールが焼損した。3部品絶縁体が使用されたこれらの線路の部分では失敗はなかった。ナイアガラ滝とバッファロー間の2番目のポール線路は22,000ボルトで運転するよう設計され、最初の線路の2倍である。磁器絶縁体はこれらの線路の両方で使用されたが、11,000ボルト線路が直径7インチ、高さ5-1/2インチの三重ペチコート絶縁体で運ばれたのに対し、22,000ボルト線路は直径7-1/2インチ、高さ7インチ、2つのペチコートだけの絶縁体に取り付けられた。古い絶縁体はペチコートをクロスアームの上2インチに持ち、新しい絶縁体の下部ペチコートはアームの上3インチである。これらの2つの絶縁体は、運ばれる回路の電圧が増加するにつれて絶縁体軸に沿って長くする傾向を示す。
[イラスト: FIG. 93A.–ナイアガラ滝-バッファロー線路の古い絶縁体と新しい絶縁体。]
さらに高い電圧の将来の作業では、初回コストと絶縁特性の両方の利点は、軸方向に非常に長く、ペチコートが互いの下に配置されすべてほぼ同じ直径の絶縁体にあり、エレクトラとコルゲート線路のような傘タイプの絶縁体より良いようである。
第二十二章
送電線路の絶縁体ピンの設計。
線ワイヤの重量、張力の度合い、および方向による曲げ負担に加え、風圧による負担が、絶縁体ピンの機械的失敗の主な原因である。
これらの力の不均衡成分をピンの軸に直角に考慮し、曲げを生じるものだけを考えると、各ピンは一端で固定され、もう一端で負荷される円形断面の梁とみなせる。
この目的で、梁の固定端はピンがクロスアームに入るポイントとし、負荷端は線ワイヤが絶縁体に取り付けられるポイントとする。これらの2ポイント間の距離が梁の長さである。ピンの外側繊維の最大負担をその断面積の平方インチあたりのポンドで表したSは、公式から求められる。
P X
S = ——-
.0982 D³
ここでPはワイヤの引っ張り(ポンド)、Dは任意のポイントでのピンの直径、Xはそのポイントからワイヤまでの距離(インチ)である。この公式の検査から、線ワイヤの引っ張りPが一定の場合、任意のポイントでの外側繊維の最大負担Sは、負担Sが発生するポイントからワイヤまでの距離Xに比例して増加することがわかる。この負担Sは線ワイヤの引っ張りが一定の場合、Sが発生するピンのポイントでの直径Dの三乗に反比例して減少する。したがって、ピンが均一直径の場合、クロスアームの穴のすぐ上のピンの断面は、曲げ負担にさらされる他のどの断面より線ワイヤから遠いため、最大負担を受ける。この理由で、ピンをクロスアームの上に均一直径にする必要はなく、実際には常にトップに向かってテーパーされる。このテーパーにもかかわらず、通常作られるピンの最も弱いポイントはクロスアームのトップのすぐで、ピンは通常この断面で破断する。この破断はピンがクロスアームの穴を下に滑るのを防ぐために各ピンに旋盤加工されたショルダーのすぐ下に来る。ピンのショルダーがクロスアームにぴったりフィットする場合、ピンの曲げ抵抗強度は増加するが、そのようなフィットを確実にするのは難しく、ピンの強度増加に頼るべきではない。ピンをクロスアームのショルダーからトップまで適切なテーパーを与えることで、ピンの外側繊維の負担Sをクロスアームの上にその長さにかかわらずすべての断面で一定にできる。上記の公式は、ピンの各種断面での直径を決定し、各断面での最大応力Sを一定にするのに使用できる。転置により公式は
P
D³ = ——- X.
.0982 S
ピンがSをすべての断面で一定にするようにテーパーされた場合、線ワイヤの任意の引っ張りPで量(P/.0982 S)は線ワイヤの取り付けポイントから任意のインチ数X離れたすべての直径Dで一定でなければならない。したがって、ピンの任意の断面で定数(P/.0982 S)が求められた場合、同じ最大応力Sの他の各断面での直径は公式にこの定数の値を代入することで容易に求められる。例えば、線ワイヤの下1インチの断面でピンが持つ直径を決定し、その断面での最大負担が線ワイヤの下5インチで直径1.5インチの断面での対応する負担に等しくなるよう要求される。Xの値として1を代入し、最後の公式はD³ = 0.675となり、これからD = 0.877となり、線ワイヤの下1インチでのピンの直径は0.877インチであるべきことを示す。同様の計算で、ピンが十分長くクロスアームの上に断面が線ワイヤの下12インチの場合、この断面の直径は0.675 × 12 = 8.1の立方根に等しく、2.008、または実質的に2インチであるべきことを示す。これらの計算はピンが与えられた線ワイヤの引っ張りに耐える能力とは何の関係もないことに注意すべきである。これらの計算は単に、線ワイヤの下の対応する距離での表に与えられた直径を持つ場合、線ワイヤの下5インチで直径1.5インチの断面での対応する負担に等しい最大応力を持つ21インチのピンが線ワイヤとクロスアーム間で長く、その強度が均一になることを示すだけである。A. I. E. E.第20巻415から419ページでは、上記の計算に基づいた標準絶縁体ピンの仕様が提案されている。そのような計算の結果として、以上公式で使用されたXとDの対応値の以下の表が示され、各々がインチで表される。
+———-+
| X D |
+———-+
| 1 0.877|
| 2 1.106|
| 3 1.263|
| 4 1.395|
| 5 1.500|
| 6 1.592|
| 7 1.678|
| 8 1.754|
| 9 1.825|
|10 1.888|
|11 1.95 |
|13 2.06 |
|15 2.17 |
|17 2.25 |
|19 2.34 |
|21 2.42 |
+———-+
線ワイヤとクロスアーム間で21インチのピンは、この表の対応する線ワイヤの下の距離での直径を持つ場合、ワイヤの引っ張りに耐える均一な強度を持つ。このことから、表のXに対応するワイヤとクロスアーム間の任意の長さのピンは、クロスアームの上5インチでワイヤを持つ直径1.5インチの標準ピンと同じ線ワイヤの引っ張りに耐える強度を持つことがわかる。言い換えれば、線ワイヤとクロスアーム間で21インチのピンが表の対応する線ワイヤの下の距離での直径を持つ場合、曲げに耐える等しい強度の任意の短いピンは、より長いピンのトップ端から切られた等しい長さに相当する。ピンのクロスアームの上に部分を「ステム」、クロスアーム内の部分を「シャンク」と指定し、検討中の各ピンはそのステムの長さで、5インチ、7インチ、または11インチピンとして命名される。すべてのピンのショルダーの下のシャンクの実際の直径は公称直径より1/32インチ少なく、各シャンクの下端の実際の直径は公称直径より1/16インチ少ない。これらの説明で提案されたピンのサイズは以下の寸法(インチ)を持つ：
+———+———+———–+
| | | 公称 |
|ステムの |シャンク |シャンク |
|長さ |の長さ |の直径 |
+———+———+———–+
| 5 | 4-1/4 | 1-1/2 |
| 7 | 4-1/4 | 1-3/4 |
| 9 | 4-1/4 | 1-7/8 |
| 11 | 4-3/4 | 2 |
| 13 | 4-3/4 | 2-1/8 |
| 15 | 4-3/4 | 2-1/4 |
| 17 | 5-3/4 | 2-3/8 |
| 19 | 5-3/4 | 2-1/2 |
+———+———+———–+
この提案された標準ピンの表の有用性を正しく評価するためには、すべての寸法がシャンク直径1-1/2インチで線ワイヤをクロスアームの上5インチに取り付けた木製ピンが送電線路の一般使用に十分強いという仮定に基づいているという事実を念頭に置く必要がある。そのような仮定は広範な慣行をカバーするが、多くの場合でその真実が疑われる可能性がある。この仮定が表全体の基盤を形成していることは、各ピンのシャンクでの計算された直径が線ワイヤの均一な引っ張りPに依存し、シャンクがステムに接合する直前の木材の外側繊維の均一な最大応力Sを与えるという事実で明らかに示される。言い換えれば、表のすべてのピンは、各場合でピンのトップと同じレベルに線ワイヤが取り付けられた場合、同じ線ワイヤの引っ張りに耐える均一な強度で設計されている。実務家はすぐに、シャンク直径1-1/2インチの5インチピン、または等しい能力のより大きなピンが一部の送電線路の導体に十分強い可能性があるが、この同じピンが他の線路の長いスパン、より鋭い角度、より重い導体に全く弱すぎる可能性があることに気づく。
したがって、モンタナ州カノン・フェリーとビュート間の65マイル線路では、各導体は銅で断面積106,500 cmであるが、ナイアガラ滝とバッファロー間の古い線路では各銅導体は断面積350,000 cmである。これらの2つの線路でスパン長、サグ量、角度の条件が等しい場合、小さいワイヤに十分な強度のピンが大きいワイヤに弱すぎることは明らかである。
少しの検討で、すべての送電線路に均一な強度のピンを採用するのは合理的でも望ましくもなく、定期使用中の導体のサイズの範囲に対応するいくつかの強度の度合いが必要であることがわかる。線導体の最大曲げ負担が決定された場合、任意の送電線路で使用されるピンのサイズは計算と実験で、または実験だけで求められるべきである。Trautwineによると、イエローローカストの平均圧縮強度は9,800ポンド、ヒッコリーは8,000ポンド、白オークは7,000ポンドの平方インチあたりの粒方向である。これらの圧縮強度は同じ木材の引張強度より小さく、したがって計算で使用されるべきである。なぜなら、曲げピンの片側の繊維が圧縮され、もう片側の繊維が伸長されるからである。公式S = (P X/(.0982 D³))でSの値に1,000を、Xの値に5を、Dの値に1-1/2を代入し、結果のPの値は736.5ポンドである。この結果から、シャンク直径1-1/2インチのローカストピンで線ワイヤをショルダーの上5インチに取り付けた場合、ワイヤの不均衡側引っ張りが曲げでピンを破断させるのは736ポンドで、ピンの木材が圧縮で平方インチあたり1,000ポンドの強度を持つ場合である。上記の表の提案された標準ピンのすべてが各場合でピンのトップと同じレベルに取り付けられた線ワイヤの同じ引っ張りに耐える均一な強度で設計されたため、上記の条件下でワイヤの736ポンドの引っ張りがこれらのピンのいずれかを破断することがわかる。
上記の計算は、各ピンのシャンクの実際の直径がショルダーのすぐ下で公称直径より1/32インチ少ないという事実を考慮していないが、これは強度をいくらか低減する。Trautwineは木材の圧縮強度の上で与えられた数字は平均だけで大きな変動があると述べている。もちろん、定期実務でピンを意図的に破断点まで負荷すべきではなく、木材の強度の変動と予期せぬ負担を考慮して、絶縁体ピンの最大負担を固定する際に安全率、例えば4を採用すべきである。この係数を上記の計算に適用すると、定期作業で上記の提案された標準ピンのトップでの線ワイヤの最大引っ張りは736 ÷ 4 = 184ポンドを超えないようである。少しの計算で、現在送電線路で使用されるより大きな導体のいくつかの側引っ張りは、サグ、角度、風圧として実務で頻繁に遭遇する条件の下で184ポンドを大幅に超えることが容易に示される。
A. I. E. E.第20巻448ページでは、シャンク直径1-7/16から1-1/2インチのローカスト木材ピン6つのテストが報告されている。これらのピンの各々はシャンクを硬木材ブロックの直径1-1/2インチの穴に挿入し、次にセラーズ機械でピンに約直角でブロックから約4-1/2インチで負担を適用してテストされた。各ピンの引っ張りは徐々に適用され、ほとんどのピンで側引っ張りが700から750ポンドに達した時木材の繊維が分離し始めたが、最大負荷はこれらの数字の約10パーセント上だった。これらのピンの木材の圧縮強度の平均計算値Sは、木材の繊維が破断し始めた負荷に基づいて11,130ポンドの平方インチで、ピンが崩壊した負荷で13,623ポンドの平方インチである。最後に引用した巻の650から653ページでは、カリフォルニアでこの目的で一般的に使用されるユーカリ木材の22ピンのテスト結果が報告されている。これらの12ピンはカリフォルニアで電圧が30,000を超えない線路で多用されるサイズである。これらの12ピンの各々はステム長6-7/8インチ、シャンク長4-5/8インチ、シャンク直径1-1/2インチ、シャンクがステムに接合する四角ショルダー直径2インチ、ネジ山のトップ直径1-3/8インチだった。これらのピンは各々クロスアームに取り付け、クロスアームをテスト機械に固定してピンが水平になり、絶縁体をピンに置き、絶縁体の側溝に巻かれたケーブルで負担を適用してテストされた。このケーブルは各ピンの軸に少し直角からずれたが、軸に直角の負担の成分が計算され、ここで言及される破断負荷はその成分である。これらの12ピンのほぼすべてがクロスアームで四角く破断した。
単一のピンでは最低破断負担は705ポンド、最大は1,360ポンド、12ピンの平均は1,085ポンドだった。不幸にも、テストケーブルが各クロスアームからどれだけ遠くに取り付けられたかは述べられていないが、ケーブルが小さいピンで使用された絶縁体の側溝に巻かれたため、おそらくピンのトップと一致するか少し下だった。小さいピンで使用された絶縁体の側溝に巻かれたためである。コルゲートとオークランド線路で実際使用される絶縁体のタイプではワイヤはトップ溝で運ばれ、その中心はピンのトップの上約2-1/2インチである。したがって、これらのピンはこれらのテストで耐えたように線路で大きな負担に耐えない可能性がある。これらのより大きなピンの各々のベベルショルダーは、ベベル表面がクロスアームのカウンターボアにぴったりフィットするため、曲げ負担に耐える能力を増加させることは疑いない。ピンが軸に直角のショルダーを持つ場合、より通常の場合でクロスアームのトップが少し丸みを帯びている場合、四角ショルダーは堅い座席を持たず、ピンの曲げ負担抵抗強度としては軽い重要性である。明らかに、このテストの10つのより大きなピンの最も弱いポイントはネジ部分の下端で、各場合の破断はネジ山が終わった場所から始まる長い分裂の形だった。重い線ワイヤ用のピンの直径をネジ端で1インチのように小さく低減したり、ネジ部分の長さを標準ピンの仕様で提案された2.5インチに制限する十分な理由はないようである。ピンのコストはショルダーから端まで均一なテーパーで直径1-1/4または1-3/8インチでネジ山をステムに3または4インチ切った場合でも変わらないことは確かである。さらに、これらのより大きなネジ端の絶縁体のコスト増加は疑いない小さいことである。ピンのシャンクのそれに対するステムの強度の余裕は、ステムが天候と絶縁体の表面上の漏れ電流による炭化にさらされるため、望ましい。高電圧線路では、この炭化は通常各ピンのネジ山のすぐ下の部分で悪く、これらの線路のピンの一般的な破断は絶縁体をピンのネジ部分でワイヤに吊り下げ、ピンの残りをクロスアームに残す。この設計は明らかにネジ山の下端から分裂によるピンの失敗を引き起こす。より良い設計はピンのステムをショルダーからトップまで均一なテーパーを与えるより一般的なものである。線ワイヤが絶縁体のトップに固定される場合、ピンのトップの上1から3インチのどこかで、絶縁体がピンで傾く強い傾向があり、この傾向はピンと絶縁体の接合が長いほど効果的に満たされる。
第23章
鋼鉄タワー
鋼鉄タワーは、水力発電所から大容量のエネルギーを高電圧で長距離に伝送する電力伝送線路の支持構造として急速に普及しつつある。
このような例の一つが、ナイアガラの滝からトロントまでの75マイルの伝送線で、24,000馬力の電力を60,000ボルトで伝送しているものである。もう一つの例は、ウィニペグまで75マイルの鋼鉄タワー線路で、60,000ボルトの伝送回路を運んでいる。世界で最も多くの銀を産出したと言われるメキシコのグアナフアトは、3,300馬力の電力を100マイルの60,000ボルト伝送線路で鋼鉄タワーを使って受け取っている。ナイアガラの滝とロックポートの間で現在建設中の電力回路は、鋼鉄タワーで支持されている。北部ニューヨークの80マイルの伝送線路で、現在計画中のものは、60,000ボルトの電流を運ぶ電気導体を鋼鉄タワーで支持する予定である。
伝送線路の導体を支持する一般的な地上からの高さ、すなわち25フィートから50フィートの場合、鋼鉄タワーは米国およびカナダのさまざまな地域で木製ポールの5倍から20倍の費用がかかる。この事実から、伝送線路で木製ポールを鋼鉄タワーに一般的に置き換えることが経済的に正当化されるためには、初回費用以外の説得力のある理由が必要であることは明らかである。15年間、遠隔地の水力発電所から主要な人口密集地へのエネルギー伝送は、最も控えめな始まりから、数百万の人々にサービスを提供する数十万馬力の供給へと成長したが、この作業のための線路は、わずかな例外を除いて木製ポールで支持されている。少なくとも数年間成功裏に運用されている高電圧で長距離の大電力伝送のうち、木製ポール線路を使ったものには以下のようなものがある：カリフォルニア州を横断してエレクトラ発電所からサンフランシスコまで147マイル、約13,000馬力を60,000ボルトで伝送する回路は木製ポールで支持されている。同州では、コルゲート発電所からオークランドまでの142マイルの伝送線路が60,000ボルトで約15,000馬力の容量を持ち、カークィネズ海峡のほぼ1マイルのスパンを除いて木製ポールで吊り下げられている。ミズーリ川のカニョンフェリーにある10,000馬力発電所からビュートまでの65マイルの2つの55,000ボルト回路は木で運ばれている。シャウィニガンの滝からモントリオールまでの83マイルで、約50,000ボルトで動作する導体は木製ポールで支持されている。バッファローでの30,000馬力の電力供給は、すべてナイアガラの滝からの22,000ボルトで動作する回路に依存しており、これらは木製ポールの線路で支持されている。
これらおよび他の多くの高電圧伝送の運用において、過去10年間のさまざまな時期にいくつかの困難に遭遇したが、それらは満足のいくサービスを妨げるほど深刻なものではなかった。それにもかかわらず、伝送システムの運用で遭遇する特定の障害は、木製ポールを鋼鉄タワーに置き換えることで大幅に減少すると主張されており、伝送線路の初回費用、さらには最終費用が木製よりも鋼鉄の方が少ない可能性さえ示唆されている。費用に関する鋼鉄の主張は、タワーがポールよりも大きな投資を必要とする一方で、タワー数がポール数よりも少ないため、前者の総支出が後者と同程度に減少する可能性があるというものである。さらに、鋼鉄支持構造の減価償却と維持費が低いため、最終費用が木製ポールと同等かそれ以下になると言われている。
現在の市場状況では、鋼鉄タワーはポンドあたり3セントから3.5セントで入手可能であり、鋼鉄タワーまたはポールの費用はその重量にほぼ比例する。1904年の前半に、シカゴのサウスサイド郊外鉄道会社に対する鋼管ポールの見積もりは上記の範囲内であった。同社は当時、鋼鉄セクションで組み立てられたポールをポンドあたり3セント未満で注文した。これらのポールのそれぞれは長さ30フィート、重さ616ポンドで、費用は約18ドルであった（xxi, A. I. E. E., 754）。ニューヨークセントラル電化鉄道沿いの11,000ボルト三相回路のペアを運ぶ45フィート鋼鉄ポールの推定費用は、前年で80ドルであった（xxi, A. I. E. E., 753）。上記のグアナフアト、メキシコへの100マイル線路では、鋼鉄タワーは3″ × 3″ × 3/16″のアングルで脚を組み立て、 Smallerのアングルセクションとロッドで支えられている。これらのタワーのそれぞれは4本の脚を持ち、上部近くで集まり、高さ40フィート、重さ約1,500ポンドで、No. 1 B. & S.ゲージの硬引き銅ケーブル3本からなる単一回路を運んでいる。これらのケーブルのそれぞれの重量は1マイルあたり1,340ポンドで、40フィートタワーは線路のほぼ全長で440フィート間隔、つまり1マイルあたり12本で配置されている。ポンドあたり3セントで、これらのタワーを米国で使用するために確保できる最低価格で、各々の概算費用は45ドルである。ナイアガラの滝とロックポートの間で、各鋼鉄タワーは単一の三相伝送回路を運び、2.5インチから Smallerサイズにテーパーしたチューブで組み立てられた3本の脚を持ち、頻繁にブレースされている。これらのタワーの高さは49フィートで、各々の重量は2,800ポンドである。ポンドあたり3セントで、各タワーの費用は84ドルに達する。北部ニューヨークの長い伝送線路で、最近6本のワイヤーを運ぶ高さ45フィートのタワーに対する入札があり、結果の価格は重さ約3,000ポンドのタワーごとに100ドルから125ドルであった。ナイアガラの滝とトロントの線路では、標準タワーは最低ケーブルを絶縁体で地上40フィートに保持し、重さ2,360ポンドで、ポンドあたり3セントで70.80ドルの費用がかかる。
1902年1月に、ケベック州シャンブリーカントン近くのシャンブリー運河を越える132フィートの2スパンで伝送回路を支持するための4本の鋼鉄タワーが購入された。これらのタワーの各ペアは、11本のNo. 2-0 B. & S.ゲージ裸銅ワイヤーを132フィートのスパンで支持する必要があった。これらの4本のタワーのそれぞれの垂直高さは基礎から144フィートで、ワイヤーが1インチの直径に氷で被覆され、風圧下で任意の部材の最大応力がその極限強度の1/4を超えないように設計された。これらの4本の鋼鉄タワーを購入者が提供した基礎に立てる価格は4,670ドルで、契約では4本のタワーの重量が121,000ポンド以上と指定されていた。この重量に基づくと、タワーの基礎立て込み費用はポンドあたり3.86セントである。
これらの鋼鉄タワーの費用の例から、木製ポールの相対費用についての公正な考えが得られる。シダーまたは他の望ましい木材の長さ35フィート、上部8インチのポールで、1本または2本のクロスアームを備えたものは、米国およびカナダの大部分の鉄道ポイントでの配送をカバーするのに十分な5ドルの推定費用である。このサイズのポールは、大電力ユニットを伴い重い導体を使う長距離高電圧伝送システムで多く使用されている。このようなポールが使用されている線路の例は、ナイアガラの滝とバッファロー間、コルゲート発電所とオークランド間、カニョンフェリーとビュート間で確認できる。もちろん、蒸気鉄道の横断などの特殊な場所ではより長いポールが使用されたが、鋼鉄タワーで支持される線路ではそのような場所で特別に高いタワーが必要になるのも事実である。35フィートポールは、ナイアガラの滝とトロントの伝送の49フィートタワーと同じくらい電気線路を地面レベルから高く保持するが、前者はより密接に設置されるためである。命名された線路では、通常のスパン中心での電気ケーブルの地面レベルからの最小距離は25フィートである。この線路の標準タワーは、下部電気ケーブルを絶縁体で地上40フィートに運び、通常の400フィートスパンの中心で15フィートのたるみを許容するのが望ましいと考えられた。これらのタワーでは、各三相回路を形成する導体は6フィート離れており、3本のケーブル間を結ぶ線は正三角形の辺を形成する。このような鋼鉄タワーで使用される14-3/4インチ長のピンで、35フィートポールの頂部に1本の導体があり、他の2本が5フィート3インチ下のクロスアームで支持され、ケーブル間が6フィートの場合、ポールを5フィート深く設置すると下部ケーブルは絶縁体で地上26フィートに保持される。35フィートポール間の100フィートは非常に穏やかなスパンで、多くの事例で超えられている。したがって、コルゲート発電所からオークランドまでの142マイル線路では、35フィートポールが132フィート離れており、これらのポールの1線は133,000円形ミルの銅導体3本を運び、もう一つのポール線は168,000円形ミルのアルミニウムケーブル3本を持つ。ナイアガラの滝からバッファローへの後期伝送線路では、500,000円形ミルケーブル用の三相回路が設計され、35フィートポールの通常距離は140フィートである。
上記の条件下でポール100フィート間の最大たるみが24インチの場合、ワイヤーの最低点は地面から24フィートになる。グアナフアトへの線路の鋼鉄タワーは長さ40フィートで、440フィート離れているため、スパン中心での導体からの地面距離は上記のものより大きくないと思われる。この点に特に注意を払うのは、鋼鉄タワーの使用がケーブルを非常に高く運ぶため、ワイヤーや棒を投げることができないと示唆されているためである。したがって、100フィート離れた35フィート木製ポールは、導体間の距離を許容し、それらの最低点を地面から同じくらい遠くに保つことができ、400フィート以上離れた40フィートから49フィートのタワーと同じである。導体が世界で最も離れている2つの線路は、カニョンフェリーからビュートへの35フィート木製ポール線と、グアナフアトへの鋼鉄タワー線で、各々でケーブルは正三角形の角で78インチ離れている。鋼鉄タワー400フィートまたは木製ポール100フィート離れの場合、後者は前者の4倍使用する必要がある。ポールあたり5ドルで、これはポールへの投資20ドルを必要とし、グアナフアト線のようなタワーで少なくとも45ドル、ナイアガラの滝からロックポートへのタワーで84ドル、またはナイアガラとトロント線の一つのタワーで70ドルと比較される。トロント線の一つのタワーは2つの三相回路を運び、ケーブル間の最小距離は6フィートである。ポールで導体間の距離を同じ結果にするためには、2つのポール線を持つのが望ましく、したがって40ドルが2つの回路のための1つのタワーを置き換えるポールへの投資を表す。ナイアガラの滝とバッファロー間の古いポール線は、2つのクロスアームで2つの三相回路を運び、各回路の350,000円形ミル銅ケーブルは辺が各3フィートの正三角形の角にある。この場合、電気圧力は22,000ボルトのみである。
上記のポールとタワーの費用には立て込みが含まれていない。各タワーは少なくとも3本の脚を持ち、もっと一般的には4本で、タワーの高さと支持する長いスパンのため、各脚にセメントコンクリートの基礎を与えるのが通常の慣行である。したがって、タワー線路のための穴掘り数はポール線路とほぼ同等かそれ以上で、コンクリート基礎を考慮すると、タワーの立て込み費用はポールのそれより大きいと思われる。木製ポールでは鋼鉄タワーより約4倍のピンと絶縁体が必要で、タワーでは3つに対してポールでは12つである。50,000から60,000ボルトの回路では、各絶縁体と鋼鉄ピンの概算費用を1.50ドルとすると、タワーあたりの節約は13.50ドルを超えない。この点での節約である。回路立て込みの労力では、タワーにわずかな利点があるかもしれないが、長いスパンの重量は支持点の少なさによる時間の節約を大幅に相殺すると思われる。
上記の事実からの概算結論は、鋼鉄タワー線路が同じ数の導体を同じ距離離して支持するための木製ポール線または線路の1.5倍から2倍の費用がかかる可能性が高く、ピンと絶縁体の節約をタワーにクレジットしてもそうである。この結論は米国およびカナダの大部分の建設に適用される。良質の木製ポールは支持として信頼できる強度を10年または15年保持することが知られており、鋼鉄タワーがそのより大きな初回費用を相殺するほど長寿命を示すかどうかは疑わしい。ここで、400フィート以上のスパンでの絶縁体の費用節約や他の利点は、鋼鉄支持と同じくらい木製で容易に確保できることに注意する。これらの長いスパンでは、線路支持の高さと強度の要件が大きく、これらはクロスブレース付きの3本または4本のポールで形成された構造で容易に得られる。このような木製構造は、特別な長いスパンが必須または方向の大きな角変化がある伝送線路の特定のポイントで長く使用されている。シャンブリー運河で上記のように75から150フィート以上の構造が必要な特殊な場合では、そのような長さのポールが容易に入手できないため、鋼鉄が木より一般的により望ましい。しかし、現在の提案や慣行では、通常スパンで40から50フィートを超える長さの鋼鉄タワーの使用は想定されていない。
伝送線路のための鋼鉄タワーの最も強力な主張は、これらのタワーが木製ポールより大きな運用信頼性を与えることである。タワーは避雷針として機能し、線路導体と駅装置を保護すると言われている。静電および誘導の雷影響については、鋼鉄タワーが保護を与えないことは明らかである。各タワーに特別な接地接続がある場合、直接雷撃に対して線路をある程度保護するだろうが、この保護がよく接地されたガードワイヤー、または接地プレートから各ポールまたは木製タワーの頂部へのワイヤーによるものより大きいと考える理由はない。直接雷撃が線路導体から木製支持に通過する場合、その支持の絶縁体を頻繁に破壊し、ポールはしばしば粉砕または焼損する。しかし、このような結果は伝送サービスを必ずしも中断せず、近くのポールが新しいポールが設置されるまで線路の追加歪みを通常運べる。雷または他の原因で絶縁体が破損し、電気ケーブルが金属構造に接触した場合、導体が2つに焼損する可能性がある結果はかなり異なる。400フィートもの長いスパンでこのように切断された重いケーブルを修理するには確かに少し時間がかかる。20,000から35,000ボルトで動作する回路の導体が多くの場合木製クロスアームに落ちた場合、線路検査員が発見するまで損傷なくそこに残ることが多いが、鋼鉄タワーとクロスアームではそのような結果は期待できない（xxi, A. I. E. E., 760）。鋼鉄タワーが使用される場合、上記の理由で木製クロスアームを使用するのがより安全と思われる。これは、実際、命名されたシャンブリー運河を越える25,000ボルト回路を支持する鋼鉄タワーと、コルゲート発電所からカークィネズ海峡の1マイル幅を越える60,000ボルト回路を運ぶ鋼鉄タワーでの慣行である。
イタリアのグロモとネンブロ間の40,000ボルト伝送線路では、木材が不足し鋼鉄が安価なため、ポールとクロスアームの両方が木製である。線路が約400フィート離れたポイントで支持される場合に使用される絶縁体の比較的小さな数が運用信頼性に寄与すると思われるが、絶縁体は現在線路の他の部分よりトラブルが少なく、表面を通じたエネルギーの漏れはテリュライド試験で示されたように非常に少ない。長いスパンからの利益は鋼鉄支持と同じくらい木製で利用可能で、費用が少ない。
鋼鉄タワーに対する木製ポールまたは構造の1つの利点は、前者が燃えず、雷による破壊の対象ではないことである。長い線路がブラシ、木材、または長い草の多い地域を通過する場合、鋼鉄タワーが燃えないという事実が選択を望ましいものにするかもしれない。熱帯諸国では、昆虫が木製ポールを急速に破壊するため、鋼鉄タワーの使用がはるかに大きな費用でも非常に望ましいかもしれないし、そのようなケースはグアナフアト、メキシコへの線路で示されたかもしれない。
木製絶縁体ピンの機械的故障は、線路歪みの直接結果として、また導体からのエネルギーの漏れでピンが炭化して弱くなるため、ポールの故障よりはるかに一般的である。これらの理由で、高電圧で動作する長線路の絶縁体のための鉄または鋼鉄ピンの一般使用が望ましい。このようなピンは現在、スピアフォールズからアルバニーまでの40マイル30,000ボルト伝送と、ベアリバーからオグデン、ユタまでの45マイル28,000ボルト線を含む多くの木製ポールとクロスアームの線路で絶縁体を支持するために使用されている。鉄または鋼鉄ピンは線路の費用をほとんど追加せず、信頼性を大幅に増加させる。最も安価で最良の鋼鉄ピンの形態の一つは、鋼管からスエージされ、直シャンクとテーパーステムでショルダーなしのものである。このようなピンは、ナイアガラの滝からトロントへの190,000円形ミル銅ケーブルの400フィートスパンで、シャンクで3-1/4インチ長、テーパーで11-1/2インチで、直径が大きい端で2-3/8インチ、小さい端で1-1/8インチである。木製ポール間の150フィート未満のスパンでは、このタイプのピンだが直径がはるかに小さいものを有利に使用できる。
電力の量が非常に大きい長い伝送線路では、鋼鉄タワーで得られる追加信頼性が使用を正当化するのに十分大きいと思われる。しかし、大多数の電力伝送では、木製ポールまたは構造がはるかに安価で実用的であると思われ、長く続くであろう。
ナイアガラの滝からトロントまで60,000ボルトで24,000馬力を伝送する2つの回路を運ぶ75マイルの私設権利通路の鋼鉄タワー線は、このタイプの建設の最も顕著な例の一つである。
最終的に、線路の全長に沿って2列の鋼鉄タワーがあるだろう。
線路の直線部分では、鋼鉄タワーは定期的に400フィート離れて立てられるが、カーブではタワー間の距離が少なく、したがって各線路の総数は約1,400である。
線路沿いの標準カーブでは、タワーは50フィート離れて配置され、各タワーでの方向変化は10度を超えず、カーブの始まりと終わりでは3度である。線路の方向変化が6度を超えない場合、各変化で許可される対応スパンは以下の通りである：
度 分 スパンのフィート。
1/2 300
1 286
1-1/2 273
2 259
2-1/2 246
3 232
3-1/2 219
4 205
4-1/2 192
5 178
5-1/2 165
6 151
線路沿いのいくつかのポイントでは、条件によりタワー間のスパンが直線作業の通常距離である400フィートを超える必要がある。このような例の一つがトゥエルブマイルクリークで、川がエリー高原に広い深い峡谷を切っている。このポイントで線路はタワー間の625フィートスパンを作る。
[イラスト: FIG. 94.–転置タワー (第2タワー)。]
[イラスト: FIG. 95.–タワーの立面図と平面図。]
この伝送で使用される通常の鋼鉄タワーは、脚から下部絶縁体の頂部まで垂直高さ46フィート、上部絶縁体の頂部まで51フィート3インチである。このタワーの下部6フィートは地面に埋め込まれ、したがって絶縁体の頂部はそれぞれ地球から約40フィートと45フィート3インチである。地面でタワーは伝送線路に対して直角に14フィート、平行に12フィートである。各タワーの頂部の幅は線路に対して直角に12フィートで、この幅の2つの側面は地面から約40フィートで集まる。各タワーの側面でこのようにほぼ集まった2つのLバー間に、垂直位置で立つように余分な重い3インチ鋼管がボルト止めされる。この管の各ピースは約3-1/2フィート長で、上端に鋼鉄絶縁体ピンを運ぶ。このようにタワーの頂部の反対側に固定された2つの管ピースは2つの最高絶縁体を運ぶ。各タワーの他の4つの絶縁体については、ピンが標準4インチ管のピースに固定され、この管は水平位置で各タワーのほぼ矩形の2つの側面間にボルト止めされ、すでに命名された垂直3インチ管を位置に保持するボルトから2フィート下のポイントである。2つの短い垂直と1つの水平管、およびそれらが支持するピンを除いて、各タワーはボルト止めされたL形アングルバーで構成される。各タワーのほぼ矩形の2つの側面は、辺に2つのLバー、直角のクロスブレースに3つのLバー、対角ブレースに4つのLバーで構成される。各側面の辺のLバーの下半分は3″ × 3″ × 1/4″のセクションで、上半分は3″ × 3″ × 3/16″である。この最後のクロスブレースと他の2つのクロスブレースは2″ × 1-1/2″ × 1/8″の共通セクションである。下部の対角ブレースセットは2-1/2″ × 2″ × 1/8″の共通セクションで、上部セットは各部材で2″ × 1-1/2″ × 1/8″である。最下のクロスブレースのレベルで、タワーの2つの矩形側面は側面に対して直角の2″ × 1-1/2″ × 1/8″のLセクションの1部材と、タワーの角間の2つの対角ブレースの5/8″丸ロッドで結ばれている。各タワーの2つの三角形側面には、4つの水平ブレースと3セットの対角ブレースがある。2つの上部水平ブレースは2″ × 1-1/2″ × 1/8″のLセクションで、最下は同じだが、残りの水平ブレースは2-1/2″ × 2″ × 1/8″のセクションである。2″ × 1-1/2″ × 1/8″のLセクションのバーは2つの上部対角ブレースセットに使用され、2-1/2″ × 2″ × 1/8″のバーは下部セットに使用される。命名されたクロスブレースに加えて、各タワーの三角形側面は角バーの頂部近くで2つの短いクロスピースを持ち、共通のLセクション3-1/2″ × 3-1/2″ × 5/8″で、1つはクロスアームのちょうど上、もう1つは4インチ管のちょうど下でそれを所定位置に保持する。各タワーの4つの角バーの底で、脚は角バーに対して直角にリベットされた3″ × 1/4″のLセクションの15インチ長のピースで形成される。各タワーの1つの角バーには、ステップのための鋼鉄スタッドの2列があり、1列がLセクションの各フランジにある。同じフランジではこれらのステップは2フィート離れているが、両フランジを取ると1フィート離れている。各鋼鉄タワーのすべての部分は重く亜鉛メッキされている。
[イラスト: FIGS. 96, 97, 98.–ナイアガラ伝送線路でのタワー上げ。]
[イラスト: FIG. 99.–位置にあるタワーの一つ。]
これらの鋼鉄タワーを立てる労力は、使用された方法により低い数字に削減された。各タワーは組み立てられていない部品で立てる場所に運ばれた。タワーを立てるために、約30フィート長の木材ボディ付きの4輪ワゴンが使用された。タワーを上げる際、2つの輪とその車軸がワゴンの木材ボディから取り外され、このボディは一種のデリックとして立てられた。このデリックはタワーから離れた側で頂部でガイされ、次にブロックとタックルのセットがデリックの頂部とタワーの頂部から1/4の距離のポイントに接続された。このブロックセットからのロープは、デリックの基部に固定された単一ブロックを通り、次に馬のチームに通った。これらの馬をデリックから離して運転すると、鋼鉄タワーはその矩形側面の1つの2本の脚で徐々に垂直位置になるまで上げられた。次の操作は、タワーの脚を地球に固定された延長ピースに接触させ、次にそれらをボルト止めすることであった。
[イラスト: FIG. 100.–伝送線路のための鋼鉄タワー。]
各三相回路の絶縁体を運ぶ3つのピンの頂部は正三角形の角にあり（Fig. 100）、その辺のそれぞれが6フィートである。各タワーで使用される6つの鋼鉄絶縁体ピンは全く同じで、各々は余分な重い管からスエージされる。各完成ピンは長さ3-1/4インチで直径2-3/8インチ、次に11-1/2インチの長さで頂部で直径1-1/8インチに均一にテーパーする。これによりピンの総長は14-3/4インチになる。大きい部分には側面から側面への2つの9/16インチ穴があり、頂部から2インチ以内に各3/16インチ幅で1/16インチ深の3つの円形溝がある。鋼鉄ピンを管に取り付けるための2種類の鍛造鋼鉄ソケットが使用される。各ソケットは半分で作られ、これらの半分は管とピンの両方に貫通ボルトで固定される。タワーの他のすべての部分のように、これらの鋼鉄ピンとソケットは重く亜鉛メッキされている。各タワーの4つの角バーのそれぞれの下部6フィートの長さは、ボルトまたはリベットで上部に固定される。各角バーのこの下部6フィートは地球に埋め込まれ、命名された建設は腐食が必須になったときに地球内のバーを置き換えやすくする。
各タワーの基礎は、伝送線路の方向に対して約45度の側面でほぼ正方形の4つの穴を掘り、各穴の最短側を少なくとも2フィート長にする。これらの穴の中心は線路に対して直角に14フィート3インチ、線路平行に13フィート9インチ離れている。ハードパンでは、タワーの脚が位置にある後、各穴は頂部から2フィート6インチ以内に石で満たされ、次に残りの穴は4対1で混合されたセメントグラウトで満たされる。
沼地では、各穴の底にタワーの脚の下に平らに敷かれた3フィート × 6インチ × 24インチの木製基礎があり、次に穴は掘削された材料で表面から2-1/2フィート以内に満たされる。この充填の上に、タワーの脚についてセメントで満たされた直径4インチの亜鉛メッキ鉄製ガターパイプが2フィートの長さで来る。このパイプの外側で穴はセメントグラウトで丸く満杯にされる。
[イラスト: FIG. 101.–ウェランド運河での伝送線路。]
伝送線路沿いのいくつかのポイントでは、例外的に高いタワーが必要で、注目すべき例はウェランド運河の横断で、各スパンの最低部分が水面から150フィート以上でなければならない。この横断のために、地上から135フィート高い2つのタワーが使用され、Fig. 101に見られる。各々のこれらのタワーは、最終的にナイアガラの滝とトロント間に立てられる4つの三相電力回路すべてを運ぶように設計されている。この目的で、上部トラス下で線路の方向に対して直角に約48フィートの幅、上部トラスで各回路の下部2導体が取り付けられる約68.5フィートの幅の特殊設計タワーが使用された。
400フィートを超えるすべてのスパンでは、標準タイプより重い建設のタワーが使用され、このタワーは各導体の支持に3つの絶縁体を提供する。このタイプのタワーで地面レベルから約40フィート下部導体を支持するものは、4″ × 4″ × 3/8″と4″ × 4″ × 5/16″のLセクションで作られた角バー、余分な重い4インチ管の3つのクロスアーム、各回路の最高導体の3つの絶縁体グループを支持するための各垂直標準6インチ管を持つ。各回路の下部導体のそれぞれはこのタワーの3つの平行クロスアームの各々に絶縁体で支持される。これらのタワーのいくつかで長いスパンでは、各導体の支持のための2つの外側絶縁体はそれらの間の絶縁体より少し低く設定される。
[イラスト: FIG. 102.–クレジット川での重いタワー。]
[イラスト: FIG. 103.–ブロンテ近くのアングルタワー。]
アングルタワー、線路が単一ポイントで大きな方向変化をする場所で使用され、各矩形側面に3本の脚を持ち、地面からある距離でこれらの側面の各々に20フィートの幅、頂部で27フィート2インチの幅を持つ。これらのタワーでは、圧縮にある三角形側面の2本の脚は各々4つの3″ × 3″ × 1/4″ Lセクションで構成され、1-1/2″ × 1/4″のラティスとリベットで結合される。このようなタワーは、トロント終端駅近くで線路が単一ポイントで35度変化する場所と、トゥエルブマイルクリークの横断近くでタワー上の線路の角変化が45度である場所で使用される。各終端駅と分割ハウスに近い伝送線路は終端タワーで支持される。これらのタワーは他のものと異なり、各々は3つの導体のみのための絶縁体を運び、これらの絶縁体はすべて同じレベルである。各終端タワーは9つの絶縁体を持ち、単一回路の導体のために3つの平行列に3つずつ配置され、各導体はその歪みを3つのピン間で分散する。回路のすべての3ワイヤーは終端タワーで地面から40フィートに保持され、同じレベルで駅の壁の入り口に通じる。これらの終端タワーは線路の端歪みに抵抗する必要があるため、余分に重く作られ、4本の脚は各々4″ × 4″ × 5/16″と4″ × 4″ × 3/8″のLセクションで構成される。これらのタワーの一つで3つのクロスアームは、各々15フィート9インチ長の4インチ管の3ピースで、頂部で固定され、それらの平行中心線は同じ平面で30インチ離れている。これらの管の各々は中心が7フィート4-1/2インチ離れた3つの絶縁体ピンを運ぶ。これらのタワーの各脚の底には、曲げられたプレートで形成された脚があり、2つの長い側面でそれぞれ15インチと18インチを測る。このタワーの各脚は地面レベルから3.5フィートから7.5フィートまで広がる5フィート正方形のコンクリートブロックに設置される。
伝送線路のための絶縁体、Fig. 104に示されるものは、茶色の艶出し磁器で3つの部分で作られ、セメントで結合される。3つの部分は3つのペチコートまたはシンブルで構成され、各々が他のものにスリップオーバーまたはイントゥするので、絶縁体の頂部とそのピン間に3つの外側表面と3つの内側または保護された表面がある。
各絶縁体の頂部から底までの高さは14インチで、これは最高で最大のペチコートの直径でもある。次のまたは中間のペチコートは最大直径10インチで、最低のペチコートは8インチである。セメントは絶縁体の最低ペチコートを以前記述された鋼鉄ピンの一つに保持し、この位置で最低ペチコートの端は鋼鉄支持から約2-1/2インチである。各絶縁体の頂部で伝送導体が固定され、この導体から空気を通じた鋼鉄部品への最短距離は約17インチである。
ナイアガラの滝のステップアップ変圧器ハウスからトロントの終端駅までの75マイルで、各三相60,000ボルト25サイクル回路は鋼鉄タワー上で各々190,000円形ミルの硬引き銅ケーブル3本で構成され、100パーセント力率ベースで10パーセント損失で12,000馬力を届けるように設計されている。6つの等しい銅ストランドが各ケーブルを構成し、このワイヤーは35,000ポンド以上の弾性限界と平方インチあたり55,000ポンド以上の引張強度で特別に引き抜かれた。このケーブルは3,000フィートの均一長さで作られ、これらの長さは端を銅スリーブでねじり合わせて結合され、はんだは使用されない。これらのケーブルには絶縁が使用されない。
[イラスト: FIG. 104.–絶縁体。]
タイワイヤーの代わりに、各絶縁体に銅ケーブルを固定するための新規クランプが使用される。この完全なクランプは、各絶縁体の反対側でケーブルを把握する2つの別個のクランプと、直径0.187インチの硬引き銅ワイヤーの2つの半円で構成される。このワイヤーの各半円は反対クランプの各半分を結合し、絶縁体のヘッド直下のネックにフィットする。結合クランプを適用する際、側面はそれらを保持するナットを外して分離され、半円は絶縁体のネック周りに持ち込まれ、次に各側クランプは半分を引き寄せるナットを回してケーブルに締め付けられる。この完全なクランプはタイワイヤーと同じくらい速く適用でき、非常に強く、ケーブルを切らない。
各通常の鋼鉄タワーは絶縁体で10,000ポンドの側歪みを安全に耐えるように設計され、ケーブルあたり平均1,666ポンドである。190,000ミルケーブルが1/2インチ深さに氷で被覆され、時速100マイルの風にさらされた場合、異なるスパンと線路の方向の角変化に対する各鋼鉄ピンの推定歪みは付属の表に与えられる：
ポンド ピンへの歪み、1/2インチスリート、100マイル風。
=====+=========================================
| 度と分。
スパン,+—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–
フィート.| 0 | 0.30| 1 | 1.30| 2 | 2.30| 3
—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–
0| 0| 35| 69 | 104| 138| 173| 207
100| 256| 291| 325| 360| 394| 429| 463
200| 512| 547| 581| 616| 650| 685| 719
300| 768| 803| 837| 872| 906| 941| 975
400|1,024|1,059|1,093|1,128|1,162|1,197|1,231
500|1,280|1,315|1,349|1,384|1,418|1,453|1,487
600|1,536|1,571|1,605|1,640|1,674|1,709|1,743
700|1,792|1,827|1,861|1,896|1,930|1,965|1,999
800|2,048|2,083|2,117|2,152|2,186|2,221|2,255
900|2,304|2,339|2,373|2,408|2,442|2,477|2,511
1,000|2,560|2,595|2,629|2,664|2,698|2,733|2,767
—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–
=====+===================================
| 度と分。
スパン,+—–+—–+—–+—–+—–+—–
フィート.| 3.30| 4 | 4.30| 5 | 5.30| 6
—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–
0| 242| 276| 311| 345| 380| 414
100| 498| 532| 567| 601| 636| 670
200| 754| 788| 823| 857| 892| 926
300|1,010|1,044|1,079|1,113|1,148|1,182
400|1,266|1,300|1,335|1,369|1,404|1,438
500|1,522|1,556|1,591|1,625|1,660|1,694
600|1,778|1,812|1,847|1,881|1,916|1,950
700|2,034|2,068|2,103|2,137|2,172|2,206
800|2,290|2,324|2,359|2,393|2,428|2,462
900|2,546|2,580|2,615|2,649|2,684|2,718
1,000|2,802|2,836|2,871|2,905|2,940|2,974
—–+—–+—–+—–+—–+—–+—–
銅ケーブルはスパンの最低点で地面からの最小距離25フィートになるように張られた。これを行うために、下部ケーブルを絶縁体で地面レベルから40フィート保持する標準鋼鉄タワーは、それらの間の地面の性質に応じてさまざまな距離で離れている。各タワーで各回路の上部ケーブルは2つの下部ケーブルより5フィート3インチ高く、この上部と下部ケーブルの標高間の距離は各スパンの中心でのたるみの量に関わらず維持される。線路の直線部分の2つの標準タワー間に窪地がある場合、400フィートスパンの中心でのたるみは18フィートにもなる。タワー間の地面の上下でたるみを14フィートに制限する必要があり、下部ケーブルを地球の最高点から25フィートに保つ場合、40フィートタワーでのスパン長は350フィートに制限される。地面レベルの上下がたるみを11フィートに制限する場合、スパン長は300フィートに減少し、同様の理由でたるみが8フィートに制限される場合、スパンは250フィートのみである。
[イラスト: FIG. 105.–終端タワーでのテイクアップ配置。]
各終端タワーで、ケーブルが終端駅に通る前に固定される場所では、各ケーブルの3つの絶縁体は中心が30インチ離れた直線にある。線ケーブルがこれらのタワーの一つで取り付けられる3つの絶縁体の最初のものに達すると、この絶縁体のネック周りに通され、次にボルトとナットで締め付けられる2つのクランプで自身に固定される。Fig. 105参照。このように固定されたケーブルは3つの絶縁体の頂部を上って後ろに曲がり、終端駅に行く。線ケーブルが上記のように固定された絶縁体のネック周りに、両端にターンバックルの部分を持つ通常の銅ケーブルの短い分離長さが通され、この同じケーブルピースは3つのシリーズの次の絶縁体のネック周りにも通される。ターンバックルの端を結合して締め付けることで、問題の線ケーブルの歪みの一部がシリーズの最初の絶縁体から2番目に転送される。同様に、この同じ線ケーブルの歪みの一部がシリーズの2番目の絶縁体から3番目、または終端駅に最も近いものに転送される。
INDEX.
空気噴射冷却変圧器, 129
空気ギャップデータ, 183
空気ギャップ, 与えられた電圧に耐える直列数, 183
アルバニー-ハドソン鉄道プラント, 121
交流電流, 227
オルタネータ電圧, 118
オルタネータ, 103
データ, 118
高電圧用, 120
インダクタ, 112
タイプ, 111
アルミニウム導体, 200, 209
使用中のケーブル, 213
導体ジョイント, 206
導体, 27, 28
腐食, 211
特性, 212
はんだ付けジョイント, 206
vs. 銅, 209
ワイヤー, コスト, 29
アモスキーグ製造会社プラント, 51, 52
アムステルダム (N. Y.) プラント, 121
アンカーアイス, 59
アンダーソン (S. C.) プラント, 121
アップルリバー (Minn.) プラント, 1, 26, 27, 28, 71, 97, 98, 99, 102, 118,
119, 124, 126, 127, 134, 174, 187, 190, 192, 208, 245, 264, 294
アーク照明, 167
アーク放電, 46
自動調整器, 162
有刺鉄線, 169, 175
ベルト駆動, 83, 107
ビエンヌプラント (スイス), 42
バーチェムベンド, 57, 67, 79, 95, 97, 98, 102
ブロワー容量, 変圧器冷却に必要な, 130
ブースター, 133
ボストン-ウースター鉄道プラント, 121
ブレース, クロスアーム用, 259
ブロンズ導体, 200
ブラシ放電, 281
ブキャナン (Mich.) プラント, 88
建築材料, 95
ブルズブリッジプラント, 63
バーダインレット (B. C.) プラント, 111, 112
バスバー, 142, 147
ダミー, 145
ケーブル絶縁, 195
シース, 194
ウェイ, 140
ケーブル, アルミニウム, 212
使用中のアルミニウム, 213
充電電流, 197
コスト, 188, 196
交流電流用, 194
高電圧, 191
紙絶縁, 196
海底, 192
温度, 198
電圧, 190, 196
カナディアン-ナイアガラフォールズ電力会社, 121
カナル, 51, 53
長い, 68
キャニオンシティプラント, 26, 27, 28, 117, 118, 127, 208
キャニオンフェリープラント, 1, 3, 26, 27, 28, 46, 49, 53, 62, 68, 69, 83, 89,
94, 95, 97, 102, 105, 112, 113, 118, 119, 124, 125, 126, 127, 130,
132, 134, 174, 208, 233, 234, 245, 246, 249, 254, 257, 259, 268, 272,
280, 282, 294, 295, 302
シーダーレイクプラント, 90
シャンブリープラント, 96, 110, 149, 156, 172, 189, 249, 255, 256, 257, 267,
272, 287, 294, 295, 311, 312
ケーブル充電電流, 197
ピンの炭化, 276, 278
ショーディエールフォールズプラント, 118
チョークコイル, 避雷器使用, 180
サーキットブレーカー, 135, 150
ブレーカー, タイムリミット, 152
回路, 選択, 233
石炭, ソルトレイクシティでの価格, 8
コルゲートプラント, 1, 3, 26, 27, 28, 74, 82, 83, 90, 94, 97, 98, 99, 101,
102, 108, 112, 113, 118, 127, 130, 132, 134, 187, 190, 201, 206, 208,
213, 245, 246, 250, 254, 257, 272, 277, 280, 282, 294, 295, 304, 309
コロンバス (Ga.) プラント, 83, 115
コンバウンド, 160
導電率, 導体金属の, 201
導体, 200
アルミニウム, 27, 28, 206
アルミニウム特性, 212
膨張係数, 200
腐食, 211
コスト, 22, 29, 203, 204, 205
アルミニウムコスト, 29
k.w.あたりコスト, 28
銅コスト, 29
データ, 204
代表的な伝送プラントからのデータ, 208
アルミニウムと銅の膨張, 211
融点, 200
伝送線路の最小サイズ, 202
理想的な特性, 200
相対導電率, 201
相対コスト, 20
等長等抵抗の相対特性, 204
与えられた面積の相対強度, 203
与えられた導電率の相対重量, 202
相対重量, 202
三相、二相、単相線の相対重量, 220
抵抗, 225
スキン効果, 206, 233
k.w.あたり重量, 27
導管, 195
放射損失, 198
温度上昇, 198
定電流調整器, 167
変圧器, 167
制御機器, d.c.とa.c.プラント用, 35
銅導体, 200
コスト, 22
vs. アルミニウム, 209
ワイヤー, コスト, 29
導体の腐食, 211
クロスアームブレース, 258
鉄, 284
位置, 257
材料, 258
クロスアーム, 49, 256
横断, 187
デールズプラント (ホワイトリバー), 26, 27, 28, 71, 134, 208
ダム, 62
デルタ接続, 131
減価償却, 11
発電所設計, 83
堤防, 60
直結, 84
放電, 静的, 170
配電システム, 158
ドラフトチューブ, 79
ダミーバスバー, 145
イーストン (Pa.) プラント, 121
エジソン社 (ロサンゼルス) プラント, 118
定電圧伝送効率, 217
曲線, モータージェネレーターセット, 117
変圧器, 133
a.c.とd.c.伝送の相対, 35
エレクトラプラント, 1, 3, 74, 82, 83, 92, 94, 97, 98, 101, 102, 108, 112,
113, 118, 127, 174, 206, 208, 212, 213, 233, 235, 236, 245, 248, 253,
254, 256, 259, 272, 275, 277, 280, 281, 282, 294, 295
電気開発社, ナイアガラプラント, 120
電力 vs. ガス, 6
電解, 195
水力発電所からのエネルギー曲線, 13
電気エネルギー, スイッチボードでのコスト, 23
入り口端歪み, 261, 325
絶縁ディスク, 262
建物への, 179
線路の, 179, 261, 265
屋根を通る, 269
壁開口部, 262
伝送線路の入り口, 261
膨張, 銅とアルミニウムの係数, 211
各種導体金属の係数, 200
ファーミントンリバー (Conn.) プラント, 26, 27, 28, 58, 118, 125, 134, 208,
212, 213,
245
フィーダー, 143
フェランティケーブル, 192
耐火, 95
床, 地面からの距離, 95
位置, 79
スペース, 12, 101, 102
ジェネレーターのk.w.あたりスペース, 12
床, 95
霧, 46, 277
フォアベイ, 59, 60
基礎, 95
周波数, 113, 127
変圧器コストへの影響, 116
燃料, ソルトレイクシティでの価格, 8
ヒューズ, 135, 150
ガービンズフォールズプラント, 56, 60, 79, 80, 94, 96, 97, 102, 113, 145, 240,
294
ガス vs. 電力, 6
ギア, 84, 108
ジェネレーター (a.c.), 103
d.c. vs. a.c., 31
ジェネレーター, ベルト駆動, 107
容量, 32
コスト, 40
(a.c.) コスト, 32
(a.c.) データ, 118
直結水平タービン, 89
インパルスホイール, 90
垂直シャフトへの接続, 84
(d.c.) 界磁励磁, 41
床スペース, 101
k.w.あたり, 12
ギア駆動, 108
(a.c.) 高電圧, 120
(d.c.) 直列, 31
(d.c.) 設置, 41
絶縁, 39, 45
避雷保護, 34
制限電圧, 44
(a.c.) 制限電圧, 32
(d.c.) 制限電圧, 31
過負荷容量, 103
電圧と容量の関係, 127
回転電機子, 112
界磁, 112
直列巻線, 41
速度調整, 38
ガラス vs. 磁器絶縁体, 288
グレートフォールズプラント, 54, 60, 61, 64, 67, 78, 92, 93, 102, 114, 118
グレッグスフォールズプラント, 54, 56, 64, 240
接地接続, 178
ガードワイヤー用, 171, 172
接地ガードワイヤー, 168
ガードワイヤー, 168
設置, 175
ポールのガイ, 255
ハグネック (スイス) プラント, 86
フックセットフォールズプラント, 56, 131
水力発電プラント, 1
ダムで構築, 64-67
カナル, 長い, 68-73
長短, 58
短い, 53-56
各種プラントの容量とk.w.あたり導体重量, 27
(800 k.w.) コスト, 10
(1500 k.w.) コスト, 11
労務コスト, 12
運用コスト, 12, 77
設計, 83
床, 79
k.w.あたりスペース, 101
金利と減価償却, 11
連結, 56-58
負荷率, 14, 15
位置, 64
モデル設計, 12
運用, 59
vs. 蒸気プラント, 5, 12
パイプライン使用, 73-77
蒸気補助使用, 84
アイス, 59
インパルスホイール速度, 108
ホイール, 82, 90
位置, 99
インディアンオーチャードプラント, 57, 84
インダクタンス, 206, 230
誘導, 電磁的, 静電的, 168
線路上, 206
調整器, 162
インダクタオルタネータ, 112
絶縁, オゾン影響, 197
紙vs. ゴムコスト, 196
a.c.とd.c.線路, 34
装置, 142
ケーブル, 195
電気機械, 45
ジェネレーター, 39
オゾン保護, 198
絶縁体アークオーバーテスト, 291
-ピン, 270 (ピン参照)
絶縁体, 277, 282, 287, 322
とピン, 各種プラントデータ, 280
不良, 288
ガラス vs. 磁器, 288
雪中, 293
鉄ピンへの固定方法, 271
新規クランプ, 323
各種伝送線路, 294
ペチコート, 294
テスト, 288
テスト, 290
テスト電圧, 289
オイル使用, 287
鉄導体, 200
ケリーズフォールズプラント, 56
ケルビンの法則, 219
労務, コスト, 12
水力発電所, 12
漏れ, 275, 287
線路, 207, 214
ルイストン (Me.) プラント, 118, 120, 122, 167, 213
照明, 白熱, 最小周波数, 116
直列配電, 167
避雷器, 直列抵抗影響, 185
避雷器, 168, 176
接地接続, 178
複数空気ギャップ, 176, 183
非アーク金属, 184
直列接続, 180
シャント空気ギャップ, 185
チョークコイル使用, 180
保護, 34
線路計算, 221-232
充電電流, 197
導体, 200
導体, コスト, 22
重量, 21
建設, 222
コスト, 310
クロスアーム, 49
ワイヤー間隔, 46
(a.c.) 伝送, 34
(d.c.) 伝送, 33
端歪み, 325
漏れ, 47
損失, 39
接地ガードワイヤーによる損失, 176
線路, たるみ, 309
線路の転置, 314
線路電圧, 45
負荷率, 14, 15
照明, 61
最大, 60
モーター, 160
鉄道, 164
導管損失, 198
導体重量との関係, 215
接地ガードワイヤーによる損失, 176
伝送線路損失, 215
ラドローミルズプラント, 26, 27, 28, 57, 79, 100, 121, 208, 213
マドリード (N. M.) プラント, 26, 27, 28, 118, 208
マンチェスター (N. H.) プラント, 120
電力市場, 7
材料, 建築, 95
線路導体用, 200
メカニクスビルプラント, 58, 67, 109, 121, 174
導体金属の融点, 200
モンモランシーフォールズプラント, 26, 27, 28, 240
モーター負荷, 160
モータージェネレーターセット効率曲線, 117
モーター, 直列巻線, 41
(d.c.) 速度調整, 38
同期, 241
複数空気ギャップ避雷器, 176
ニードルポイントスパークギャップ, 圧力測定用, 290
ネバーシンクリバープラント, 75, 179
ナイアガラフォールズ電力会社, 3, 59, 81, 86, 87, 93, 94, 95, 97, 101, 102,
105, 106, 107, 108, 112, 113, 117, 118, 119, 127, 133, 137, 140, 143,
145, 151, 153, 161, 165, 170, 181, 188, 194, 195, 208, 211, 240, 245,
246, 257, 272, 273, 275, 280, 287, 289, 294, 295, 297
空気からの硝酸, 281
非アーク金属, 184
ノースゴーハム (Me.) プラント, 120
オグデン (ユタ) プラント, 26, 27, 28, 118, 120, 132, 134, 208, 245
オームの法則, 223
オイルスイッチ, 136
オンタリオ電力会社, 121
運用費用, 59
運用, コスト, 12, 77
運用, 信頼性, 311
ウーレイ (Col.) プラント, 121
架空線路から地下への接続, 197
ジェネレーターの過負荷容量, 103
オゾン, 197
ポールの塗装, 255
紙絶縁ケーブル, 196
vs. ゴム絶縁, 196
パヤッテリバー (アイダホ) プラント, 73, 101
ペンストック, 59, 98
位相, 113
パイクスピークプラント, 77
パイロットワイヤー, 161
ピン, 259, 270
と絶縁体, 各種プラントデータ, 280
焼損, 270, 276, 278
炭化, 276, 278
複合, 281
木材の圧縮強度, 302
設計, 298
寸法, 301
直径の公式, 299
鉄, 275, 285, 286
膨張, 290
絶縁体固定方法, 271
クロスアームへの固定方法, 271
金属, 271, 275, 282, 285, 286
均一強度, 300, 302
比率, 301
金属と木製の相対コスト, 284
シャンク, 274
ショルダー, 275, 299, 305
ねじ山の軟化, 280
鋼鉄, 275, 312
1/2インチスリートと100マイル風での歪み, 324
歪み, 270, 298
強度, 303
標準表, 301
処理, 259, 275
最弱点, 298
木製, 各種プラントデータ, 272
寸法, 272
標準寸法, 273
パイプライン, 73
ピッツフィールド (Mass.) プラント, 121
ポールライン, コスト, 21
避雷器, 179
相対コスト, 20
線路, 246
ポール, コスト, 310
地面深さ, 254
直径, 254
寸法, 254
ガイ, 255
鉄, 284
長さ, 253, 309
寿命, 255
設置, 252
間隔, 249
鋼鉄, コスト, 307
処理, 255
木材, 252
磁器 vs. ガラス絶縁体, 288
ポートランド (Me.) プラント, 120, 166, 239
ポーツマス, N. H. プラント (蒸気), 102, 118, 119, 120, 121, 144, 194,
264, 294
発電所, a.c.とd.c.の相対コスト, 36
伝送電力, 総コスト, 24
導管放射損失, 198
鉄道横断, 187, 252
サービス, 164
レッドブリッジプラント, 53, 60, 79, 93, 94, 96, 97, 99, 101, 102
調整, 155, 239
同期モーター影響, 165
受信端, 162
手動, 161
調整器, 自動, 162
定電流, 167
誘導, 162
リレースイッチ, 145
抵抗, 225
避雷器直列, 185
回転電機子オルタネータ, 112
界磁オルタネータ, 112
川横断, 187, 190, 249
床, 床からの距離, 95
屋根, 95
ロープ駆動, 83
ロータリー, コスト, 117
適した周波数, 115
ゴム被覆ケーブル, 195
最大温度, 198
オゾン保護, 198
線路たるみ, 309
セントハイアシンス (Que.) プラント, 118
セントジョセフプラント, 66
セントモーリスプラント (スイス), 31
セーラム (N. C.) プラント, 121, 122
サンガブリエルキャニオンプラント, 26, 27, 28, 208
サンタアナプラント, 1, 26, 27, 28, 74, 76, 82, 83, 92, 94, 95, 96, 97,
98, 99, 101, 102, 208, 245, 263, 280, 281, 294, 295, 296
ソールトサントマリープラント, 72, 83, 85, 89, 97, 102, 104, 105, 112, 113,
117, 118, 120, 127
スコットシステム, 132
直列配電, 167
機械, 41
シーウォールズフォールズプラント, 26, 27, 28, 155
シャウィニガンフォールズプラント, 1, 70, 71, 107, 116, 117, 163, 164, 166, 209,
212, 213, 235, 236, 242, 245, 267, 272, 273, 280, 282, 294, 295, 296
ケーブルシース, 194
シャント空気ギャップ, 185
スキン効果, 206, 232
スノクォルミーフォールズプラント, 3, 4
伝送線路地図, 4
雪, 293
はんだ付けジョイント, 206
ポール間隔, 249
ワイヤー, 234
スパン, 長い, 190, 250
異なる長さの歪み, 324
スパーク距離, 182
電圧, 182
速度, インパルスホイールの周辺, 108
タービンの周辺, 85, 103
調整, 38, 42
d.c.モーター, 38
スピアフォールズプラント, 1, 2, 3, 54, 58, 61, 62, 68, 91, 94, 98, 124, 126,
127, 130, 141, 142, 146, 161, 174, 236, 237, 243, 244, 245, 250, 253,
266, 280, 285, 287, 289, 291, 294, 295, 296, 312
スター接続, 131
静的放電, 170
蒸気と水力発電所併用, 84
電気プラント, 労務コスト, 12
運用コスト, 12
k.w.あたり床面積, 102
vs. 水力, 5
鋼鉄タワー, 306
貯蔵容量, 15
避雷器直列抵抗影響による絶縁歪み, 185
迷走電流, 保護, 195
海底ケーブル, 187, 192, 194
サブステーション, 装置配置, 128
サブステーション, 157, 237
サージ, 136
スイッチボード, 156
配線, 146, 148, 149
スイッチ, 135, 244
アーク, 135
電動操作, 140
長いブレーク, 135
オイル, 136
屋外, 136
空気圧操作, 140
動力操作, 138
リレー, 145
スイッチハウス, 141, 142, 238, 244
スイッチング, 146
高張力, 147
同期コンバーター, 115
コスト, 117
モーター, 165, 241
テールレース, 96
電話, 161
テリュライドプラント, 47, 160, 169, 181
ケーブル温度, 198
導管温度上昇, 198
導体金属の引張強度, 201
タイムリミットサーキットブレーカー, 152
タイムリレー, 152, 153
タワー, 250, 306
アングル, 320
コスト, 310
寸法, 314
立て込み, 316-319
重い, 320
運用信頼性, 311
スパン, 313
鋼鉄, コスト, 307, 308
鋼鉄ピン, 312
歪み, 324
変圧器, 122
空気噴射 vs. 水冷, 129
人工冷却, 129
サブステーション, 125
冷却に必要なブロワー容量, 130
定電流, 167
冷却, 水量, 129
運用コスト, 129
相対コスト, 20
デルタとスター接続, 131
効率, 133
周波数影響, 116
絶縁, 45
伝送システム, 134
制限電圧, 32
位置, 97
多相, 124
調整, 125
リザーブ, 149
二次, 直列, 131
単相, 124
二相から三相, 132
降下補償用, 133
電圧調整用, 162
電圧, 45
使用時, 122
伝送, 定電流, 38, 216
定電圧, 40, 217
連続電流, 31, 32
制御機器, 35
コスト, 19, 40, 222
(d.c.) コスト, 40
効率, 35, 41
最初の長い線路, 37
ジェネレーター端, 103
避雷保護, 34
制限電圧, 44
線路, アーク, 46
計算, 221-232
充電電流, 197
建設, 222
コスト, 310
クロスアーム, 49, 256
横断, 187, 190
各種プラントデータ, 245
長さコスト影響, 20
電力コストへの長さ影響, 24
効率, 22, 24
建物入り口端歪み, 325
建物入り口, 179, 261
インダクタンス, 206
誘導, 168
絶縁, 34
絶縁体 (絶縁体参照), 287
絶縁体ピン (ピン参照), 270
金利, 維持, 減価償却, 22
漏れ, 47, 207, 214
長さ, 容量, 供給人口, 8
避雷器 (避雷器参照), 179
避雷保護, 118
長いスパン, 190
損失, 22, 39
損失, 215
線路最大投資, 220
運用, 311
ポール間隔, 249
同期モーター調整, 241
三相、二相、単相の相対重量, 228
権利通路, 246
線路たるみ, 309
ワイヤー間隔, 234
鋼鉄タワー (タワー参照), 306
スイッチハウス, 238
スイッチ, ヒューズ, サーキットブレーカー, 135
テイクアップ配置, 325
総コスト, 22
運用総コスト, 23
ワイヤー転置, 206, 314
電圧, 21, 215
ケーブル, 190
調整, 130
風圧, 210
長い線路, 221
最小サイズワイヤー, 202
物理的限界, 44
a.c.ポールライン建設, 34
d.c.ポールライン建設, 33
ポールライン, 246
問題, 19
調整, 155, 239
回路選択, 233
単一 vs. 並列回路, 241
導体間隔, 46
海底, 187
三相, 113
三相と二相, 228
二相, 113
地下, 187
昇圧変圧器なし, 120
ワイヤー転置, 206
タービン, 高速, 107
水平, 79, 83, 89, 97
インパルス, 82, 90, 99
速度, 108
低水頭良速度, 105
周辺速度, 85, 103
圧力, 79
同一シャフト複数, 85, 105
垂直, 79, 84, 85, 86, 97
架空線路から地下ケーブル接続, 197
ケーブル, 187
ビクター (Colo.) プラント, 26, 27, 28, 208
バージニアシティプラント, 118
電圧降下補償, 133
変動, 218
高, オルタネータ, 120
測定, 290
ケーブル, 190, 196
制限, 44
a.c.機械, 32
d.c.機械, 31
伝送線路, 21, 215
調整, 130, 155
スパーク, 182
絶縁体テスト, 289
マイルあたりボルト, 26
従業員賃金, 12
壁, 95
ワシントン&ボルチモア鉄道, 121
流出, 81
水冷変圧器, 129
水力, 開発, 51
高水頭, 74-77
低水頭, 51-74
エネルギー利用率, 16
純粋水力開発, 51
駅 (水力発電駅参照)
貯蔵容量, 15, 61
利用, 10
vs. 蒸気, 5
水, 貯蔵, 15, 61
導体金属の重量, 202
ウェランドカナルプラント, 1, 26, 27, 28, 208, 245, 248
ウェストブルック (Me.) プラント, 120
ホワイトリバーからデールズプラント, 26, 27, 28, 71, 134
風, 324
線路圧力, 210
ワイヤールーム, 139
木材, 圧縮強度, 302
ポール用木材, 252
ヤドキンリバー (N. C.) プラント, 26, 27, 28, 118, 208
転写者のノート
この転写は元の作品のテキストを使用しています。
不整合（例: per cent. と per cent; Chambly と Chamblay;
Garvin’s と Garvins Falls; 1-0 と 1/0 B. & S. ゲージ; ハイフネーション;
大文字; イタリック使用など）は以下のように修正されたものを除いて保持されています。本書の一部の計算は提供されたものと異なる結果を与えます; これらは修正されていません。
この本では、「cm.」は円形ミルではなく、センチメートルを表していません。
ページ76, Fig. 16: イラストの中央のテキストはおそらく1200 feet Pipe Lineです。
ページ111: 図44と46の間に元の本には図51_a_があります; 番号付けは変更されていません。
変更:
明らかな軽微なタイポグラフィと句読点の誤りは黙って修正されました。
分数はx/yに標準化; すべてのvs.の発生はイタリック化。
インラインマルチライン公式はシングルライン公式に変更。
目次: インデックスが追加。
ページ15: テーブルヘッダーを他のもののように小文字に変更
ページ31: Electrical transmission を Electrical transmissions に変更
ページ56: Canon を Cañon に変更
ページ77: Tlaluepantla を Tlalnepantla に変更
ページ312: Teluride を Telluride に変更
ページ332: Canon を Cañon に変更。
*** プロジェクト・グーテンベルクのEブック『水力の電気伝送』の終わり ***
《完》
