介紹尼亞加拉-亞當斯水電站（上）

01-25

尼亞加拉大瀑布，可以稱得上水電史的「聖地」，這裡有傳奇的舍爾科普夫水電站，有聞名的亞當斯水電站，等等許多。其中有許多有趣的故事，且聽洒家道來。

前事不表，話說1890年7月份，國際尼亞加拉委員會正式成立。

由E. Mascart（法國學院教授，左1），William Unwin（英國倫敦中央研究院教授，左2），William Thomson爵士（開爾文爵士，蘇格蘭格拉斯哥大學，中間），Dr. Coleman Sellers（美國富蘭克林研究所教授，4號）和Theodore Turrettini（瑞士日內瓦市水力工程師，5號）組成。

委員會考察了當時北美和歐洲的電力傳輸項目，向歐美各國有獎徵集建造計劃。一共收到來自六個國家的十三份計劃。其中有八份計劃涉及到電力輸送，這八份里，有四份是用輸電的辦法實現，其中兩份是直流，另外兩份，一份是單相交流、一份是多相交流。

西屋公司拒絕提供相關計劃，並且揚言「這個委員會不過是想用3000美元廉價獲得價值10萬美元的設計，如果他們真心要做這筆生意，我會告訴他們怎麼做。」

不幸被西屋言重，1891年委員會宣布所有的方案都有缺陷，沒有獲獎的方案。

在1890年，開始相關土建的施工，包括引水隧道、尾水隧洞、機坑等的相關設施陸續施工。截止1894年，這些工作基本完成。

1891年世界上第一個三相高壓交流輸電工程，德國的勞芬——法蘭克福108英里輸電工程運行。1891年12月份，委員會向三個瑞士廠商和三個美國廠商發出邀請，1892年英國的George Forbes教授被聘請為委員會的顧問。

他提議採用多相交流電。與此同時，水輪機方面已經完成相關設計製造。水輪機的轉速是每分鐘250轉。

電力設備的合同就耽誤下來，從運輸、關稅、專利等相關的問題考慮，瑞士公司就被排除掉。1893年，GE和西屋都提交的各自的方案，GE提交的是三相方案、西屋提交的是兩相方案，這時候一個有趣的事情，甲方的顧問George Forbes教授設計了神奇的一個傘式外轉子轉場式發電機，電壓要求2萬伏，油冷電樞。

對於工業上廣泛使用旋轉變流機來說頻率越低效果當然越好，不過頻率太低發電機和變壓器的體積和成本太高；頻率高了發電機和變壓器的體積和成本能降低，但是旋轉變流機工作起來問題很多很麻煩。頻率低一點，電機變壓器鐵損方面好一些，線路上也安全一點。不過成本當然又是一個大問題。最後以白熾燈的閃光能接受的情況下，把頻率定在25HZ。在10月份西屋和甲方在紐約的晚餐上，亞當斯老闆對西屋首席工程師表示，如果西屋能做，這項目基本可以敲定。

10月份，GE和西屋都給甲方一個反饋，要求更改George Forbes教授的設計，在19世紀，人類科技製造2萬伏電樞，這是不現實的。10月26日，最終合同敲定。西屋公司設計的5000馬力，2.2KV，兩相四線制25HZ發電機中標。

這是當時人類最大的電氣工程，沒有任何相關經驗，西屋的工程師開創性的設計、製造、測試、安裝了這些沒有先例的設備。電機的電樞全部用雲母做絕緣材料，這在後來被認為很有遠見。在運行後，通過預埋的熱電偶測量發現電樞溫度在200華氏度。

下面一起看一下George Forbes教授神奇的傘式外轉子發電機的構造。

這個發電機和現在普通的水輪發電機是不同的。這是Forbers教授設計的圖紙，這個發電機藍色的部分如同下面圖中所表示的轉筒勵磁部分，土黃色的勵磁線圈繞在紅色的鐵心上，裝置在這個轉筒的內壁。

綠色部分，就是電樞部分，這部分是靜止的固定在圓筒的內部。這是一個典型的外轉子式的發電機。在運行的時候，發電機外部如同西藏佛教里的轉經筒一樣以250轉/分的速度旋轉著。

上面這張照片顯示工人們正在製造發電機的電樞。下面的照片是現場安裝發電機的場景，近前是正在安裝的發電機，後方是已經安裝完成的「轉經筒」

第一台發電機在1895年開始運行，25HZ兩相四線的2.2KV電力通過四芯鉛包電纜輸送給半英里以外的美國鋁業公司、碳化硅磨料公司。到1896年10月份，第三台5000馬力發電機投運以後，發電容量已經超過本地用電量。

19世紀末，布法羅市的火電總裝機容量在33500馬力，全部是往複式蒸汽機驅動發電機。在1896年1月份尼亞加拉瀑布電力公司拿下了到布法羅的配電權，瞄準的市場是布法羅的電車供電業務。這時候，市內軌道交通剛剛從馬拉向電力方向轉變。水力發電相對於火電的成本優勢讓資本蠢蠢欲動。

這時候，GE布法羅公司和大瀑布電力公司合作。GE設計建造從水電站到布法羅的輸電工程。下面又出現有趣的情況。GE是主推三相系統的，但是西屋的設備都是兩相系統。GE的方案是用930KW風冷斯科特變壓器作為升壓變壓器，兩相四線制2.2KV升壓到三相三線11KV，然後通過22英里的架空線，最後經過4千英尺的高壓地下電纜，輸送到布法羅電車公司的配電站，在這裡用三台11KV/375V 250KW單相變壓器，送給旋轉變流機，輸送550V直流到電車公司自備往複蒸汽機發電廠的550V母線。

注意這圖

這是一個典型的斯科特變壓器的系統，一次側是兩相四線2.2KV，二次側是三相三線制11KV到布法羅，11KV因為是斯科特連接，所以沒有中性點。受電側降壓變壓器是三台單相變壓器三角形連接。所以11KV沒有中心點，當然也沒有中性點接地與否的問題。同時低壓375V直接旋轉變流器電樞，低壓也沒有中性點。

這張照片是930KW升壓變壓器和它的控制屏（那個年代沒有「櫃」），這裡可以看到控制屏上部的三個長閘刀中間有隔離電弧的設置。

在1896年，那個時候油開關都沒有發明，繼電保護根本就是不存在的概念。當時唯一保護就是熔斷器。下面這圖表示這條線路的情況。

變壓器不用圈圈表示可能大家看不慣，不過這圖也很簡明。升壓變壓器的一次用鉛保險，二次用鋁保險，然後經過閘刀到輸電線路。受電側變壓器一次也用鋁保險，變流機輸出直流550V這裡是空氣開關，這種空氣開關有過流脫扣設計，並且有滅弧罩，在19世紀末的直流電力系統中已經廣泛採用。

1896年11月15日，這條輸電線路正式運行。存在很多問題，避雷問題突出，採用的避雷線並不能解決感應電壓問題，空氣隙的避雷器效果不好，熔絲幾乎並不能提供什麼保護能力，工人操作高壓閘刀的時候，旁邊另外一個工人要同時倒一桶沙子來滅弧……

（私貨，跟大家探討一下我的一些看法，手頭沒有更詳細的資料，對於25HZ系統我覺得已經比50/60HZ安全許多，長線路導致的電壓動蕩問題也好一點。布法羅電車公司是唯一的負載，它的旋轉變流機的工作狀態實在很影響這條線路的運行。下一期會說到，在1902年水電廠檢修的時候，電車公司的蒸汽機發電機通過這條線路倒送電給水電廠附近2.2KV的用戶）

這張圖說明了當時的用電情況，2.2KV兩相四線配電線路供個各個用戶。這裡面有個有趣的情況，值得注意的是電燈公司的用戶，它通過2.2KV的兩相電動機直接拖動兩種直流發電機，圖中用2個皮帶表示出來，上面那個後面連接很多叉叉的顯然就是舊式的高壓直流串聯弧光燈發電機以及連接的弧光燈，下面那個畫的後面接並聯電燈的顯然是普通的愛迪生直流110V照明系統的直流發電機。在電燈站里，這些發電機都是通過往複式蒸汽機用皮帶拖動，現在都改用交流電動機來帶動。

因為到布法羅的輸電線經常出問題，影響了附近工業用戶的2.2KV系統，為了解決這個問題，1897年電廠2.2KV改為分段母線。

在1897年，公司啟動一個新項目，在布法羅市內增加多個11KV的變電站。布法羅市區內從1892年就禁止新增加架空明線，並且規定架空明線的電壓不得超過5KV。電力公司計劃全部採用地下電纜。雖然油浸紙絕緣電纜在1890年已經發明，為安全起見，開發了新的11KV的絕緣電纜。

圖片是1897年的一段電纜。

同時，為了解決電纜頭擊穿的情況，發明了化合物填充方式。

在1900年之前布法羅的電力負荷增長很緩慢。因為大部分工廠不願意放棄自己的發電機而使用公用電廠的電力，事實上那時候很多工廠主動力仍然是蒸汽機，通過列軸和大大小小的皮帶輪驅動各種設備。至於居民用電，當然更是微乎其微。

1900年之後的電力技術突飛猛進，很多重要的發明問世，在下一篇里，將會繼續介紹尼亞加拉亞當斯水電站後來的發展。敬請關注。你要是問我為啥文章里設備的容量都是馬力和千瓦為單位，因為19世紀，工程師並沒有意識到功率因數的重要性，事實上直到感應電動機在工業大量普及的20世紀早期，電網的功率因數低到令人髮指的程度以後，這個問題才被重視起來。