Introduksjon av elektrisk belysning

I andre halvdel av 1800-tallet økte kravene til komfort for de reisende. Et av kravene var bedre lys i kupeene. Her ser vi nærmere på utviklingen av elektrisk belysning på slutten av 1800- og tidlig på 1900-tallet.

• 

• 

Med elektriske lamper kunne man få atskillig bedre lys i kupeene enn det som var mulig å oppnå med andre lyskilder. Det var bare å slå over en bryter, og lampene i kupeene ble tent og slukket på en enkel måte. De reisende kunne få nok lys til å kunne lese sine aviser, og brannfaren ved bruk av gass og petroleum ble eliminert. Utfordringen var å finne en metode å forsyne lampene med strøm. Systemet måtte ikke være for innviklet. Samtidig måtte det være driftssikkert. I 1800-tallets siste tiår var elektrisk drevne sporvogner og tog i sin spede begynnelse. For materiell som utelukkende skulle brukes på elektrifiserte strekninger kunne strøm til belysning hentes fra kontaktledning eller strømskinne. På baner med dampdrift hadde man ikke den muligheten, og man måtte finne andre løsninger.

Tre viktige oppfinnelser

Glødetråden

Så tidlig som i 1802 klarte engelskmannen Humphry Davy å lage elektrisk lys ved å sende strøm gjennom en tynn tråd av platina. Strømmen ble hentet fra et elektrisk batteri av samme typen som Alessandro Volta hadde funnet opp to år i forveien. Lyset varte ikke lenge nok til at Davy kunne ha noen nytte av det. I 1835 demonstrerte den skotske oppfinneren James Bowman Lindsay en elektrisk lampe på et møte i Dundee i Skottland. Fra 1840-årene og i tiårene som fulgte var det flere som forsøkte å lage elektriske lamper. Det var den tyske urmakeren Heinrich Göbel som i 1854 laget den første brukbare elektriske glødelampen. Göbel hadde bare galvaniske elementer til å skaffe strøm til lampen, og den ble derfor for dyr og upraktisk til at den kunne anvendes.

Uavhengig av hverandre hadde engelske Sir Joseph Wilson Swan og amerikanske Thomas Alva Edison utviklet brukbare elektriske glødetrådlamper på slutten av 1870-årene. Glødetrådene var laget av forkullede bambusfiber, og var festet til små platinatråder. Disse ble støpt inn i en glasskolbe som var pumpet lufttom. Glødetrådene av forkullet bambusfiber hadde lett for å briste etter en tids bruk. De fordampet og ga også fra seg et sort belegg som satte seg på innsiden av glasskolben. I 1904 fikk ungarske Sándor Just og kroatiske Franjo Hanaman patent på en glødelampe med glødetråd av wolfram. Disse glødetrådene ga bedre lys og varte lenger enn glødetrådene av kulltråd. De var også mer solide, og gikk ikke så lett i stykker. Omkring 1910 kom masseproduksjonen i gang.

Akkumulatoren

Utviklingen av akkumulatorer (oppladbare batterier) var en forutsetning for utvikling av elektrisk belysning i jernbanevogner. Den eldste akkumulatoren som vi kjenner til er blyakkumulatoren, som ble funnet opp av den franske fysikeren Gaston Planté i 1859. Under

lading blir tilført elektrisk energi omdannet til kjemisk energi ved en elektrokjemisk reaksjon mellom bly og flytende svovelsyre. Den kjemiske energien kan således avgis som elektrisk energi. En av Plantés elever, Camille Faure, hadde videreutviklet og forbedret blyakkumulatoren. Nikkel-kadmiumakkumulatoren ble funnet opp i 1899 av svenske E. W. Jungner.

Dynamoen

Tidlig på 1800-tallet var det flere som forsøkte å utvikle elektriske generatorer. Allerede i 1827 begynte ungarske Anyos Jedlik å eksperimentere med roterende elektromagnetiske komponenter. Etter flere tiår formulerte han konseptet med selvmagnetiserende dynamoer i 1861. I mellomtiden var det flere andre som forsøkte å lage en elektrisk generator. I 1831 konstruerte den engelske vitenskapsmannen Michael Faraday en generator. Året etter konstruerte Hippolyte Pixii, en fransk instrumentmaker, en dynamo basert på Faradays prinsipp. Uavhengig av hverandre hadde tyske Werner Siemens og engelske Charles Wheatstone utviklet hver sin dynamo. Disse ble lansert i 1867.

Tidlige forsøk

De første forsøkene med elektrisk belysning i jernbanevogner ble utført samtidig av to britiske jernbaneselskaper i 1881. Det skotske jernbaneselskapet North British Railway utstyrte flere av sine personvogner med elektriske lamper til innvendig belysning. Lampene fikk strøm fra en dynamo som var plassert på lokomotivet, og som ble drevet av en hurtiggående dampmaskin. Dette medførte et høyt dampforbruk. Dessuten klarte man ikke å produsere strøm med en jevn spenning, noe som resulterte i at lampene lyste ujevnt. Systemet ble snart oppgitt.

Samme år tok det engelske jernbaneselskapet London, Brighton & South Coast Railway i bruk elektriske lamper til belysning i et av sine togsett. Lampene fikk strøm fra akkumulatorer som var montert på vognenes underside. Disse ble ladet ved togets endestasjoner. Året etter ble samme system forsøkt også hos Pennsylvania Railroad i USA. Akkumulatorene som ble brukt var for små til å dekke behovet. De ble utladet og lampene slukket før toget nådde endestasjonen.

Dynamo drevet av hjulaksler

I begynnelsen av 1880-årene ble det utført flere forsøk med elektrisk belysning hvor strømmen til lampene ble levert av en dynamo som var koblet til en av hjulakslene. For at lyset i lampene skulle lyse mest mulig jevnt uavhengig av togets hastighet, og for å unngå at lampene slukket mens toget stod stille, ble det installert flere akkumulatorer som var koblet inn i strømkretsen. Disse ble ladet med strøm fra dynamoen under togets gang. Når toget stod stille eller når hastigheten var lav, fikk lampene strøm fra akkumulatorene.

Det var flere utfordringer som måtte løses for å få dette systemet til å fungere. Spenningen ut fra dynamoen økte når dynamoens omdreiningstall økte, og minket når omdreiningstallet ble lavere. Siden dynamoen ble drevet av en av hjulakslene i vogna den var montert i, var dynamoens omdreiningstall avhengig av togets hastighet. Når spenningen ut fra dynamoen ble lavere enn spenningen i akkumulatorene måtte dynamoen kobles ut, for at akkumulatorene ikke skulle utlades gjennom dynamoen. Til dette formålet ble det utviklet forskjellige typer brytere som automatisk koblet dynamoen inn og ut ettersom togets hastighet økte eller ble redusert. Det ble tidlig funnet opp flere typer releer som var laget for å koble inn ved en bestemt spenning. Releets spole var koblet til dynamoen, og slo inn når spenningen økte til et fastsatt nivå. Når spenningen fra dynamoen sank, koblet releet ut.

Dynamoene produserte likestrøm. Strømmen ut fra dynamoen skifter polaritet når dreiretningen skifter. Great Northern hadde en spesiell tannhjulsoverføring som var konstruert slik at dynamoen alltid roterte samme vei, uavhengig av togets kjøreretning. Det ble også utviklet brytere som automatisk skiftet polaritet når toget skiftet kjøreretning.

Videre ble det utviklet spenningsbegrensere for å hindre overlading av akkumulatorene, og systemer for å holde spenningen til lampene så jevn som mulig. Systemet ble tatt i bruk av flere britiske jernbaneselskaper tidlig i 1880-årene. Utviklingen fortsatte i 1880-årene. Flere og flere jernbaneselskaper tok systemet i bruk. I 1880-årene ble dynamo og akkumulatorer plassert i en reisegodsvogn. De andre vognene i toget fikk strøm til belysningen fra dynamoen og akkumulatorene i reisegodsvogna.

Strøm kun fra akkumulatorer uten lading underveis

Den enkleste formen for elektrisk belysning var å hente strøm fra akkumulatorer som var montert på vognene. Lyset i lampene var jevnt Lysstyrken var helt uavhengig av togets gang, men den minket etter hvert som spenningen ut fra akkumulatorene sank. Ved togets endestasjoner ble akkumulatorene satt til lading. Enten ble strømmen koblet til mens vognene stod hensatt på sidespor, eller akkumulatorene ble tatt av vognene byttet ut med ferdig oppladede akkumulatorer. Ved flere større stasjoner ble det reist egne bygninger for lading av akkumulatorene som ble tatt ut av vognene for lading.

• 

De første forsøkene med akkumulatorbelysning som falt heldig ut skjedde hos Novara-Seregno-Saronnojernbanen i Italia og Jura-Simplonbanen i Sveits. I begynnelsen av 1890-årene ble dette systemet tatt i bruk av bl.a. på de preussiske og danske jernbanene, og på de private jernbaneselskapene på den svenske Västkusten. Av hensyn til samtrafikken og kjøring med gjennomgående vogner over Kornsjø grense ble flere norske personvogner utstyrt med elektriske lamper og akkumulatorer. De danske statsbanene tok systemet i bruk i 1891, og Deutsche Reichspost tok det i bruk året etter til sine postvogner. Også flere store italienske private jernbaneselskaper brukte samme system. Deretter fulgte en rekke andre jernbaneforvaltninger i flere land, bl.a. Pennsylvania Railroad og flere andre amerikanske selskaper. Rajputana Malwa Railway i India hadde over 1300 vogner med akkumulatorer og elektrisk lysarmatur.

Akkumulatorene som ble brukt var store og tunge. Det var ingen mulighet for lading av akkumulatorene underveis. De måtte lades ved togets endestasjoner. Ved større forsinkelser ville  

lampene lyse svakere og svakere, og til slutt slukke helt når akkumulatorene var utladet.

En hurtiglading kunne ta 2-3 timer, mens lading med svakere strømstyrke kunne ta 10-12 timer. Akkumulatorene var kostbare, de hadde ikke så lang holdbarhet og de var ikke alltid like pålitelige. De preussiske jernbanene erstattet det elektriske anlegget i mange av sine personvogner med armatur for gassbelysning. Det samme skjedde med vognmateriellet til privatbanene på den svenske Västkusten etter at Statens Järnvägar overtok disse banene like etter århundreskiftet. Så sent som i 1910 holdt de preussiske jernbanene fremdeles på med å demotere elektrisk belysningsutstyr i sine personvogner, og installere armatur for gassbelysning i stedet.

Dynamo drevet av dampmaskin eller motor

En rekke jernbaneselskaper brukte dynamoer som ble drevet av dampturbiner som enten var plassert på lokomotivet eller i en reisegodsvogn. Dampen ble hentet fra lokomotivets dampkjel. Dette var svært utbredt i USA i tiden rundt århundreskiftet. Dersom dampturbin og dynamo var plassert i en reisegodsvogn, måtte denne vogna gå som første vogn i toget etter lokomotivet. Dette innebar ekstra skifting ved togets endestasjoner. De preussiske jernbanene hadde dampturbiner og dynamoer på flere av sine lokomotiver. Etter hvert gikk man bort fra å la dynamoene på lokomotivene forsyne hele toget med strøm. Men lokomotivenes lyskastere, sluttlys og andre lamper i førerhytta fikk strøm fra lokomotivets dynamo.

Det forekom også at dynamoen til belysningen ble drevet av en egen dampmaskin som var plassert i en reisegodsvogn. Da måtte det være en person til stede hele tiden for å fyre og ha oppsyn med dampmaskinen, og han kunne ikke ha andre oppgaver. Bortsett fra den østerrikske keiserens tog og svært få hurtigtog i Russland, var denne metoden svært lite brukt. På begynnelsen av 1900-tallet ble forbrenningsmotorer tatt i bruk for å drive en eller flere dynamoer til togets belysning. Dette var svært vanlig i Russland og Kina på denne tiden.

Dynamoer drevet av hjulaksler – videreutvikling

Rundt århundreskiftet ble konseptet med dynamo som ble drevet av en av vognas hjulaksler videreutviklet, og ble etter hvert den vanligste metoden for å forsyne lampene i toget med strøm. En rekke fabrikanter utviklet sine løsninger og sine systemer. Man gikk bort fra konseptet med en stor dynamo og store akkumulatorer i en reisegodsvogn. I stedet ble hver vogn utstyrt med hver sin dynamo og hver sine akkumulatorer, med tilhørende elektrisk utstyr. Vognene fikk hvert sitt elektriske anlegg. Dermed behøvde ikke vognene å være tilkoblet en reisegodsvogn med dynamo og akkumulatorer for at lampene skulle være tilkoblet. Videre kunne vogner med forskjellig elektrisk utstyr kobles inn i samme tog.

Det mest utbredte systemet for denne type belysning ble utviklet av J. Stone & Co. i Deptford i England fra slutten av 1800-tallet. Hver vogn hadde en dynamo med reimoverføring fra hjulakselen. Ved hjelp av en sentrifugalanordning ble dynamoen koblet inn når toget oppnådde en viss hastighet, og ut når hastigheten kom under dette fastsatte nivået.

Spenningen og strømstyrken ut fra dynamoen stiger med økende hastighet. Det gjør også ankerets vridningsmotstand. For å unngå overbelastning vil reimene begynne å slure når vridningsmotstanden kommer over et bestemt nivå. Systemet til Stone hadde to akkumulatorer. Den ene ble ladet under togets gang mens den andre var koblet til lampene. Dermed fikk lampene tilført en jevn spenning, slik at de lyste jevnt. I 1912 var det anslått at om lag 10 000 personvogner i Europa og Amerika var utstyrt med Stone sitt system. Systemet til Stone ble første gang tatt i bruk i Norge på Rørosbanens sovevogner fra slutten av 1890-årene.

I tiden rundt århundreskiftet var det en rekke produsenter som utviklet tilsvarende systemer.

Brown Boveri o. Co, Gesellschaft für elektrische Zugbeleuchtung, Vickers, Mather & Platt, Pintsch-Grob og Gold Coupler Co, for å nevne noen. Disse utviklet sine systemer med dynamo som var drevet av en av vognas hjulaksler. Disse systemene hadde forskjellig utforming, men prinsippet var det samme.

I det 20. århundrets første tiår hadde som nevnt flere jernbaneselskaper erstattet elektrisk belysning med gasslamper. I årene etter 1. verdenskrig ble elektriske komponenter og utstyr bedre utviklet, og flere og flere jernbaneselskaper valgte å bytte ut den brannfarlige gassen med elektriske lamper. I løpet av 1920-årene ble de fleste gasslampene i jernbanevognene slukket for godt. Enkelte vogner hadde gassbelysning til etter 2. verdenskrig.