電力送電の歴史

電力送電、すなわち発電場所から遠く離れた場所へ電気を運ぶための手段は、19世紀後半にまで遡ります。これには、大量の電気を輸送すること（正式には「送電」と呼ばれます）と、個々の顧客に電気を供給すること（「配電」）が含まれます。当初、この2つの用語は同じ意味で使われていました。

電気が普及する以前は、長距離にわたって電力を伝送するためにさまざまなシステムが使用されていました。その中でも主なものは、テレダイナミック（ケーブルが動く）、空気圧（加圧空気）、油圧（加圧液体）による送電でした。^{[ 1 ]}ケーブルカーはテレダイナミック送電の最も一般的な例で、その線路は1区間で数マイルに及ぶこともありました。空気圧送電は、20世紀初頭のパリ、バーミンガム、リックスドルフ、オッフェンバッハ、ドレスデン、ブエノスアイレスの都市送電システムに使用されていました。19世紀の都市では、高圧水道管を使用して工場のモーターに電力を供給する油圧送電も使用されていました。ロンドンのシステムは、800ポンド/平方インチ（5.5 MPa）の水を運ぶ180マイル（290 km）のパイプ網を介して7,000馬力（5.2 MW）を供給していました。これらのシステムはより安価で汎用性の高い電気システムに取って代わられたが、19世紀末までには、都市計画家や金融関係者は送電システムを構築することの利点、経済性、およびプロセスを十分に認識していた。   

電力利用の初期段階では、電力の広範な送電には2つの障害がありました。第一に、異なる電圧を必要とする機器には、それぞれ専用の発電機と独立した送電線が必要でした。街灯、工場の電動機、路面電車の動力、家庭の照明などは、電圧の異なる機器がそれぞれ独立した送電システムを必要とする例です。第二に、発電機は負荷の比較的近く（低電圧機器の場合は1マイル以内）に設置する必要がありました。電圧を高くすればするほど長距離送電が可能になることは知られていたため、単一の共通送電線から効率的に電圧変換を行うことができれば、これらの問題は両方とも解決できると考えられました。

初期の電力の多くは直流であり、長距離送電や複数の種類の電気機器で使用するために共通の線路を共有する場合、電圧を容易に増減させることはできなかった。企業は、自社の発明に必要な負荷の種類に応じて、異なる線路を敷設した。例えば、チャールズ・ブラッシュのニューヨークのアーク灯システムは、直列回路の多数のランプに最大10kVを必要とし、エジソンの白熱灯は110Vを使用し、シーメンスやスプラグが製造した路面電車は500ボルト級の大型モーターを必要としたが^{[ 2 ]} 、工場の産業用モーターはさらに別の電圧を使用していた^{[ 3 ]} 。このような線路の特殊化と送電の非効率性のため、当時、電力業界は負荷の近くに多数の小型発電機を配置する、現在分散型発電システムとして知られるものへと発展していくと考えられていた^{[ 4 ] 。}

高電圧は、長距離送電の問題に取り組んでいた初期の研究者にとって興味深いものでした。彼らは電気の基本原理から、電圧を2倍にして電流を半分にすれば、同じ量の電力をケーブルで送電できることを知っていたのです。また、ジュールの法則により、電線で熱によって失われる電力は、電圧に関係なく、電線を流れる電流の2乗に比例することも知っていました。そのため、電圧を2倍にすれば、同じケーブルで同じ量の電力を4倍の距離で送電できるという結論に至ったのです。

1878年のパリ万国博覧会では、オペラ大通りとオペラ広場に、ゼノーブ・グラム交流発電機で駆動するヤブロチコフアーク灯を用いた電気アーク照明が設置された。 ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}ヤブロチコフアーク灯は高電圧を必要とし、実験者たちは間もなく、アーク灯を14キロメートル（8.7マイル）の回路で駆動できると報告した。^{[ 8 ]} 10年以内に、多くの都市で、中央発電所から送電線を介して複数の顧客に電力を供給する照明システムが採用された。これらのシステムは、当時主流だったガス灯事業と直接競合していた。 ^{[ 9 ]} 

中央発電所と、そこで発電されたエネルギーを顧客に供給し、顧客がサービス利用料を定期的に支払うというネットワークへの投資は、投資家にとって馴染みのあるビジネスモデルだった。それは、収益性の高いガス灯事業や、油圧・空気圧による動力伝達システムと全く同じだった。唯一の違いは、供給される商品がガスではなく電気であること、そして供給に使用される「パイプ」がより柔軟であることだった。

1879年、サンフランシスコのカリフォルニア電力会社（現在のPG&E）は、チャールズ・ブラッシュの会社から2台の直流発電機を使用して、複数の顧客にアーク灯用の電力を供給しました。このサンフランシスコのシステムは、電力会社が中央発電所から送電線を介して複数の顧客に電力を販売した最初の事例でした。[ 11 ] CECは^すぐに4台の発電機を備えた2番目の発電所を開設しました。日没から深夜までの照明のサービス料金は、ランプ1つにつき週10ドルでした。^{[ 9 ] [ 12 ]}

ウィリアム・T・パワーズらが1880年3月に設立したグランドラピッズ電力会社は、1880年7月24日土曜日に世界初の商業用中央水力発電所の操業を開始し、ウルヴァリン・チェア・アンド・ファニチャー社の水力タービンから電力を供給された。同社は16灯のブラシ電気ダイナモを稼働させ、ミシガン州グランドラピッズのいくつかの店舗の照明を点灯させた。^{[ 13 ] [ 14 ]}これは、ミシガン州ジャクソンのコンシューマーズ・エナジーの最も初期の前身である。

1880年12月、ブラッシュ・エレクトリック社は、ブロードウェイの2マイル（3.2km ）区間にアーク灯を供給する中央局を設置した。1881年末までに、ニューヨーク、ボストン、フィラデルフィア、ボルチモア、モントリオール、バッファロー、サンフランシスコ、クリーブランドなどの都市にブラッシュのアーク灯システムが導入され、20世紀に入っても公共照明として利用された。^{[ 15 ]} 1893年までに、ニューヨークの街路を照らすアーク灯は1500個に達した。^{[ 16 ]} 

初期のアーク灯は非常に明るく、高電圧のため火花や火災の危険性があり、屋内での使用には危険すぎました。^{[ 17 ]} 1878年、発明家のトーマス・エジソンは、アーク灯システムでは対応できないニッチな分野である、顧客の事業所や家庭に直接電気照明を届けることができるシステムの市場を見出しました。^{[ 18 ]} 1879年に商業的に実現可能な白熱電球を考案した後、エジソンはマンハッタン南部で最初の大規模な投資家所有の電気照明「ユーティリティ」を開発し、最終的にはパールストリート駅に設置された6つの「ジャンボダイナモ」で1平方マイルをカバーしました。^{[ 7 ] [ 9 ] [ 19 ] [ 20 ]} 1882年9月にサービスが開始されたとき、400個の電球を持つ85の顧客がいました。各ダイナモは100kWを生成し、 1200個の白熱電球に十分な電力で、送電は地下導管を介して110Vで行われました。このシステムの建設費用は30万ドルで、10万フィート（3万メートル）の地下導管の設置がプロジェクトの中で最も高額な部分の一つでした。最初の2年間は運営費が収入を上回り、1890年には火災で工場が焼失しました。^{[ 21 ]}さらに、エジソンは3線式システムを採用していたため、一部のモーターに110Vまたは220Vのどちらかを供給できました。  

1876年、パベル・ヤブロチコフは、パリ万国博覧会でアーク灯を展示する前に、誘導コイルを昇圧変圧器として使用する機構の特許を取得した。1881年、ルシアン・ゴーラールとジョン・ディクソン・ギブスは、二次発電機と呼ばれるより効率的な装置を開発した。これは、スピンドルの周りの一連のワイヤー付きボビン間の接続を構成することで比率を調整できる初期の降圧変圧器であり、必要に応じて鉄心を追加または取り外して出力電力を変化させることができた。この装置はさまざまな批判を受け、1:1の回転比しか提供しないと誤解されることもあった。^{[ 7 ] [ 22 ] [ 23 ]}

最初の実証的な長距離（34  km、21 マイル）交流送電線は、1884 年にイタリアのトリノで開催された国際博覧会のために建設されました。これは、2 kV、130 Hz のシーメンス & ハルスケオルタネータによって駆動され、一次巻線が直列に接続された複数のガウラール二次発電機を備えており、白熱灯に電力を供給していました。このシステムは、長距離での交流電力伝送の実現可能性を証明しました。^{[ 7 ]} 1884 年と 1885 年の間に、ブダペストのガンツ社のハンガリー人エンジニア、ジペルノフスキー、ブラティ、デリは、効率的な「ZBD」閉芯コイルと、現代の配電システムを開発しました。この 3 人は、それまでのすべてのコアレスまたはオープンコアデバイスは電圧を調整することができず、したがって実用的ではないことを発見しました。彼らの共同特許は、極のない設計の 2 つのバージョン、「閉芯変圧器」と「シェルコア変圧器」について説明しています。^{[ 24 ] [ 25 ]}オットー・ブラティは閉芯の使用を提案し、カーロイ・ジペルノフスキーはシャント接続の使用を提案し、ミクサ・デリは実験を行った。^{[ 7 ] [ 26 ]}新しい ZBD 変圧器は、ガウラールとギブスの開芯バイポーラデバイスよりも 3.4 倍効率的であった。^{[ 27 ]}

閉鉄心型変圧器では、鉄心は閉じたリング状になっており、その周りに2つのコイルが巻かれています。シェル型変圧器では、巻線は鉄心を通っています。どちらの構造でも、一次巻線と二次巻線を繋ぐ磁束は、ほぼ完全に鉄心内を流れ、意図的に空気中を通らないようになっています。鉄心は鉄線または鉄板で構成されています。

ZBD特許には、相互に関連する他の2つの主要な革新が含まれていました。1つは、直列接続ではなく並列接続された利用負荷の使用に関するもので、もう1つは、供給ネットワーク電圧が利用負荷の電圧（当初は100Vが好まれていた）よりもはるかに高い（当初は1,400～2,000V）高巻数比の変圧器を持つことができることに関するものです。^{[ 28 ] [ 29 ]} これらの革新的な設計要素により、家庭、企業、公共スペースの照明に電力を供給することが技術的にも経済的にも実現可能になりました。^{[ 30 ]}オットー・ブラティはまた、変圧器の公式Vs/Vp = Ns/Npを発見しました。^{[ 31 ]}世界中の電気および電子システムは、オリジナルのガンツ変圧器の原理に依存しています。発明者はまた、電流の起電力を変更する装置を説明するために「変圧器」という言葉を初めて使用したことでも知られています。^{[ 30 ] [ 32 ]}

1885 年 5 月、ブダペストで開催されたハンガリー国立博覧会で、デリ、ブラティ、ジペルノフスキは、現代の交流照明システムの原型として広く認識されているものの大規模なデモンストレーションを行った。彼らのシステムは、75 台の変圧器を並列接続し、1,350 V を供給する交流発電機から 1,067 個の白熱エジソンランプに電力を供給した。^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

ジョージ・ウェスティングハウスが電気に興味を持ったとき、彼はエジソンの低電圧は大規模システムに必要な送電規模に拡大するには効率が悪すぎるとすぐに正しく結論付けた。彼はさらに、長距離送電には高電圧が必要であり、安価な変換技術は交流にしか存在しないことを理解していた。変圧器は、送配電システムにおいて交流が直流に勝利する上で決定的な役割を果たすことになる。^{[ 39 ]}

安価な昇圧変圧器と降圧変圧器を使用した現代の送電の基礎となる概念は、1886年にマサチューセッツ州グレートバリントンでウェスティングハウス、ウィリアム・スタンレー・ジュニア、フランクリン・レナード・ポープによって初めて実装され、ヨーロッパの技術も利用されました。^{[ 40 ] [ 41 ]} 1888年には、ウェスティングハウスはニコラ・テスラの誘導電動機のライセンスも取得し、最終的に実用的な（2相）交流電動機に発展させました。現代の3相システムは、 1889年からヨーロッパでミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキーとアルゲマイネ・エレクトリシテーツ・ゲゼルシャフト、チャールズ・ユージン・ランスロット・ブラウンによって開発されました。^{[ 3 ] [ 42 ]}

1891年にドイツのフランクフルトで開催された国際電気技術博覧会では、高出力三相電流の長距離送電が展示されました。博覧会は、フランクフルト・アム・マインの旧「西駅」（Westbahnhöfe）3駅の跡地で、5月16日から10月19日まで開催されました。博覧会では、175km離れたラウフェン・アム・ネッカーで発電された高出力三相電流の初の長距離送電が展示されました。この送電は博覧会会場のモーターや照明を正常に作動させました。博覧会が閉幕した後も、ラウフェンの発電所は稼働を続け、行政首都ハイルブロンに電力を供給し、ハイルブロンは三相交流電力が供給される最初の都市となりました。多くの企業の技術担当者（トムソン・ヒューストン・エレクトリック社（後のゼネラル・エレクトリック社）のEWライスを含む）が出席しました。^{[ 43 ]}技術顧問や担当者は感銘を受けました。実地試験の成功により、ドイツにおいては三相電流が最も経済的な電力伝送手段となった。 

多相発電機とモーターのシンプルさは、効率性に加えて、安価でコンパクトに製造でき、メンテナンスの手間もほとんどかからないことを意味しました。単純な経済性によって、高価でかさばり、機械的に複雑な直流発電機は最終的に姿を消しました。電流戦争の決定的な要因は、低コストの昇圧変圧器と降圧変圧器が利用可能になったことであり、これにより、特殊な電圧要件に関係なく、すべての顧客に最小限の変換コストでサービスを提供できるようになりました。この「ユニバーサルシステム」は、今日、電力利用における最も影響力のあるイノベーションの1つとみなされています。^{[ 3 ]}

1889年にチャールズ・パーソンズがターボ発電機の製造を開始した後、さまざまな場所から大量の電力を入手できるようになった。ターボ発電機の出力は 、20年で100kWから25メガワットに急上昇した。 ^{[ 44 ]}効率的なターボ発電機が登場する以前は、水力発電プロジェクトが大量の電力の重要な供給源であり、送電インフラが必要だった。

世紀の変わり目には交流の利点は明確ではなく、変圧器の恩恵を受けずに高電圧直流送電システムがうまく設置されました。エジソンのメンロパーク施設で6か月間過ごしたルネ・テュリーは、送電の問題を理解し、直流を使用して長距離に電気を送ることが可能だと確信していました。彼は、アーク灯発電機が長距離にわたって照明を支える能力に触発されて高電圧送電の初期の研究を行ったマルセル・デプレの研究に精通していました。 ^{[ 45 ] [ 46 ]}デプレは、チャールズ・F・ブラッシュのアーク灯システムのように、発電機と負荷を直列に配置することで変圧器を回避しました。 ^{[ 45 ]}テュリーはこのアイデアを高電圧直流送電の最初の商用システムに発展させました。ブラッシュのダイナモと同様に、電流は一定に保たれ、負荷の増加により圧力が増加すると電圧が上昇します。テュリーシステムは、水力発電機からのいくつかの直流送電プロジェクトでうまく使用されました。 1885年に最初の低電圧システムがベーツィンゲンで稼働を開始し^{[ 47 ]}、最初の高電圧システムは1889年にイタリアのジェノヴァでAcquedotto de Ferrari-Galliera社によって稼働を開始しました。このシステムは120kmの回路で14kV DCで630kWを送電しました。^{[ 48 ] [ 49 ]}最大のThuryシステムは、長さ230kmのLyon Moutiersプロジェクトで、最終的に125kVで20メガワットを供給しました。^{[ 45 ] [ 46 ] [ 50 ]}   

最終的に、Thuryシステムの汎用性は、直列配電の脆弱性と、1940年代に水銀アークバルブの改良によってようやく登場する信頼性の高い直流変換技術の欠如によって阻害されました。交流の「ユニバーサルシステム」は数の力で勝利を収め、発電機を高電圧送電線に接続し、送電線を地域配電回路に接続するための変圧器を備えたシステムが普及しました。適切な電力周波数を選択することで、照明負荷とモーター負荷の両方に対応できました。回転コンバータ、そして後に水銀アークバルブやその他の整流器機器によって、必要に応じて局所変換によって直流負荷に対応できるようになりました。異なる周波数を使用する発電所と負荷も、回転コンバータを使用して相互接続することができました。あらゆる種類の負荷に共通の発電所を使用することで、重要な規模の経済が実現し、全体的な設備投資が少なくて済み、各発電所の負荷率が向上して効率が高まり、消費者のエネルギーコストが下がり、電力全体の利用が増加しました。

広範囲にわたって複数の発電所を相互接続できるようにすることで、電力生産コストが削減されました。最も効率的な発電所を使用して、日中の変動する負荷に供給することができました。予備発電容量をより多くの顧客とより広い地理的範囲で共有できるため、信頼性が向上し、設備投資コストが削減されました。水力発電や炭鉱直結の石炭など、遠隔地の低コストのエネルギー源を利用して、エネルギー生産コストを削減することができました。^{[ 51 ]}

高電圧を用いた三相交流の最初の送電は、1891年にフランクフルトで開催された国際電気博覧会で行われた。15 kVの送電線が、ネッカー川沿いのラウフェンとフランクフルト・アム・マイン（ 175 km離れている）を結んだ。^{[ 42 ] [ 52 ]}   

1882年、ドイツのミースバッハ・ミュンヘン送電線は57km （35マイル）にわたって2kVの直流送電を行った。1889年、米国初の長距離直流送電がオレゴン州オレゴンシティのウィラメットフォールズ発電所で開始された。^{[ 53 ]} 1890年、洪水により発電所は破壊された。この不幸な出来事により、ウィラメットフォールズ電力会社が1890年にウェスティングハウス製の実験用交流発電機を設置したことで、世界初の長距離交流送電への道が開かれた。  

同年、ナイアガラフォールズ電力会社（NFPC）とその子会社カタラクト社は、ナイアガラの滝を利用して発電する提案を分析するために、専門家からなる国際ナイアガラ委員会を設立した。委員会はウィリアム・トムソン卿（後のケルビン卿）が率い、フランスのエレウテール・マスカール、イギリスのウィリアム・アンウィン、アメリカのコールマン・セラーズ、スイスのテオドール・トゥレッティーニらが委員を務めた。JPモルガン、ロスチャイルド卿、ジョン・ジェイコブ・アスター4世といった実業家らが支援した。19件の提案の中で、圧縮空気を動力伝達媒体として一時的に検討したが、最終的には電気を優先した。どの方法が全体的に最適かは決定できなかった。

1893年までに、ナイアガラフォールズ電力会社は残りの6社からの提案を却下し、発電契約をウェスティングハウスに、送電線と変圧器の契約をゼネラルエレクトリックに与えた。^{[ 54 ] [ 55 ]} 1893年にナイアガラフォールズ発電プロジェクトが開始され、5,000馬力（3,700kW ）の交流を、送電時のインピーダンス損失を最小限に抑えるため周波数25Hz （1950年代に60Hzに変更）で 発電し送電することになっていた。  

ウェスティングハウス社は、路面電車や工場用モーターに必要な単相および多相交流と直流を含むすべての電力規格を供給できるように、回転式変換器に基づくシステムも開発しなければなりませんでした。 1895年にナイアガラのエドワード・ディーン・アダムス発電所の水力発電機からの電力を最初に購入したのは、アルミニウム精錬のために大量の安価な電力を必要としていたピッツバーグ還元会社の工場でした。^{[ 56 ]} 1896年11月16日、バッファローに送電された電力が路面電車の動力源となりました。発電所はウェスティングハウス・エレクトリック社によって建設されました。このプロジェクトの規模から、ゼネラル・エレクトリック社も送電線や設備を建設するなど貢献しました。^{[ 56 ]}同年、ウェスティングハウス社とゼネラル・エレクトリック社は特許共有協定に署名し、両社が競合する電気特許をめぐって争っていた約300件の訴訟を終結させ、今後何年にもわたって米国の電力産業を独占的に支配することになりました。^{[ 57 ]}

当初、送電線は電信線や電話線に使われていたものと同様の磁器製のピンアンドスリーブ式碍子で支えられていた。しかし、これらの碍子の実用的な限界は40kVだった。1907年、ナイアガラフォールズ電力会社のハロルド・W・バックとゼネラル・エレクトリック社のエドワード・M・ヒューレットによる円盤型碍子の発明により、より高い電圧に対応する、あらゆる長さの実用的な碍子を製造できるようになった。

20世紀を通じて、電力送電に使用される電圧は増加しました。^{[ 58 ]} 最初の「高電圧」交流発電所は、定格4MW、10kV、85Hzで、1889年にセバスチャン・ジアニ・デ・フェランティによってロンドンのデプトフォードで稼働を開始しました。^{[ 42 ]}北米で最初の電力送電線は4000Vで稼働しました。1889年6月3日に稼働を開始し、オレゴン州オレゴンシティのウィラメット滝の発電所とオレゴン州ポートランドのダウンタウンのチャップマンスクエア間の送電線は約13マイルに及びました。^{[ 59 ]} 1914年までに、70,000Vを超える送電システムが55台稼働し、当時使用されていた最高電圧は150kVでした。^{[ 60 ]} 110kVでの初の三相交流送電は、1907年にミシガン州クロトンとグランドラピッズの間で行われた。100kV以上の電圧は、約5年後まで確立された技術ではなく、例えば、1912年にドイツのラウフハンマーとリーザの間でヨーロッパ初の110kV送電線が敷設された。

1920年代初頭、ピットリバー-コットンウッド- バカ - ディクソン線は、シエラネバダの水力発電所からサンフランシスコ湾岸地域へ電力を送る220kVの送電線として建設され、同時にビッグクリーク-ロサンゼルス線も同じ電圧にアップグレードされました。これらのシステムは両方とも1923年に商用サービスを開始しました。1929年4月17日、ドイツで最初の220kV送電線が完成しました。この送電線は、ケルン近郊のブラウヴァイラーからフランクフルト近郊のケルスターバッハ、マンハイム近郊のラインアウ、オーストリア近郊のルートヴィヒスブルク - ホーエネックまで伸びています。この送電線は、当時世界最大の電力システムの1つであった南北相互接続線を構成しています。この送電線のマストは、将来的に380kVにアップグレードできるように設計されていました。しかし、ドイツで初めて380kVでの送電が行われたのは、1957年10月5日、ロンマースキルヒェンとルートヴィヒスブルク＝ホーエネックの変電所間であった。

世界初の380kV送電線は、 1952年にスウェーデンのハルスプロンゲット-ハルスベリ 線（全長952km）に建設された。1965年には、ハイドロ・ケベック社の送電線で735kVの超高圧送電が初めて行われた。^{[ 61 ]} 1982年には、ソビエト連邦で1200kVの送電が初めて行われた。

20世紀の急速な工業化により、送電線と送電網はほとんどの工業国における経済インフラの重要な部分となった。第一次世界大戦の需要により、地域の発電所と小規模な配電網の相互接続が大きく促進された。当時、政府は軍需工場に電力を供給するために大規模な発電所を建設し、その後、これらの発電所は長距離送電を通じて民生用電力供給にも接続された。^{[ 62 ]}

小規模な地方自治体の電力会社は、必ずしも販売する電力の単位あたりのコストを削減したいとは考えていませんでした。特に1880年から1890年の期間には、電気照明は贅沢品とみなされ、電力は蒸気動力に取って代わるものではありませんでした。米国のサミュエル・インサルや英国のセバスチャン・Z・デ・フェランティなどの技術者は、長距離送電の開発における技術的、経済的、規制的、政治的な困難を克服する上で重要な役割を果たしました。送電網の導入により、ロンドン市では1キロワット時のコストが10年間で3分の1に削減されました。^{[ 63 ]}

1926年、英国の電力ネットワークはナショナルグリッドとして相互接続され始め、当初は132kVで運用されていた。

パワーエレクトロニクスは、固体電子工学を電力の制御と変換に応用したものです。パワーエレクトロニクスは、水銀アーク整流器の開発から始まりました。 1902年にピーター・クーパー・ヒューイットによって発明された水銀アーク整流器は、交流（AC）を直流（DC）に変換するために使用されました。1920年代以降、サイラトロンとグリッド制御水銀アークバルブを電力伝送に応用する研究が続けられました。ウノ・ラムは、高電圧直流電力伝送に適したグレーディング電極を備えた水銀バルブを開発しました。1933年にはセレン整流器が発明されました。^{[ 64 ]}

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