簡(jiǎn)介
電力資源就像我們?nèi)粘：粑目諝?，沒有發(fā)生問題的時(shí)候，它們就像不存在一樣。當(dāng)需要的時(shí)候，電源就在我們身邊，始終能夠滿足我們的需求。停電的時(shí)候，人們進(jìn)入房間，像往常那樣打開照明開關(guān)，卻發(fā)現(xiàn)燈泡沒有點(diǎn)亮，這是你才會(huì)發(fā)現(xiàn)電源對(duì)日常生活的重要性。電源可以加熱、制冷、烹飪、冷藏、照明、發(fā)聲、計(jì)算、娛樂……沒有它，生活有可能有點(diǎn)麻煩。
電力通過一種稱作配電電網(wǎng)的系統(tǒng)從發(fā)電廠輸送到每家每戶。
電網(wǎng)輸電電纜可能架設(shè)在空中，也可能鋪設(shè)在地下。查看更多核電圖片。
電網(wǎng)無(wú)處不在。在郊區(qū)或者農(nóng)村，電網(wǎng)就擺在人們的面前。電網(wǎng)是如此的普遍，以至于人們往往對(duì)此視而不見。人們傾向于忽視習(xí)以為常的東西，電力線就是這樣不被 人注意。本文將介紹將電力傳送至用戶所需要的所有設(shè)備。下次見到電網(wǎng)的時(shí)候，你將真正的認(rèn)識(shí)它，并且知道它是如何工作的。
發(fā)電廠
發(fā)電廠生產(chǎn)電力。在幾乎所有情況下，電廠都有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)。推動(dòng)發(fā)電機(jī)需要?jiǎng)恿?-可能是水電大壩的水輪機(jī)，大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，或者燃?xì)鉁u輪機(jī)。但在大多數(shù)情況下，推動(dòng)發(fā)電機(jī)的是蒸汽輪機(jī)。燃燒煤，石油或天然氣可以產(chǎn)生蒸汽。蒸汽也可能來(lái)自核反應(yīng)堆，例如北卡羅來(lái)納州靠近羅利（Raleigh）的希倫哈里斯（Shearon Harris）核電站：
不管推動(dòng)發(fā)電機(jī)的是什么，任何規(guī)模的商業(yè)發(fā)電機(jī)都產(chǎn)生三相交流電源。首先理解單相電源，對(duì)于了解三相交流電源是有幫助的。
圖片提供：美國(guó)能源部
主要電廠分類
美國(guó)，按類型
電廠：交流電
單相電源供家庭應(yīng)用，通常家里使用的是120伏（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)為220伏）交流單相電源。在家里墻壁上的插線板接出來(lái)的交流電源，使用示波器可以觀察到正弦波，波形在-170伏到170伏之間擺動(dòng)（波峰確是在170伏，而有效值（RMS）電壓為120伏）。振蕩的正弦波頻率為60赫茲（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)為50赫茲）。像這樣振蕩的電源通常被稱為AC或者交流電。與交流相對(duì)應(yīng)的選擇是DC，或者說(shuō)是直流電。電池產(chǎn)生直流電：順著同一個(gè)方向從電池的負(fù)極到正極流動(dòng)的穩(wěn)定的電流。（電子移動(dòng)的方向?yàn)閺呢?fù)極到正極，電流的方向?yàn)閺恼龢O到負(fù)極。--譯者注）
和直流輸電相比，配電電網(wǎng)使用交流至少有3個(gè)優(yōu)勢(shì)：
- 大型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的就是交流電，使之轉(zhuǎn)換為直流電將花費(fèi)額外的步驟。
- 變壓器必須有交流電才能工作，下面我們將看到，配電網(wǎng)絡(luò)依賴變壓器才能運(yùn)轉(zhuǎn)。
- 將交流電轉(zhuǎn)換為直流電很容易，但是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電確很昂貴，因此，使用交流將是更好的選擇。so if you were going to pick one or the other AC would be the better choice.
因此，電廠生產(chǎn)交流電。在下一頁(yè)，您將了解電廠生產(chǎn)交流電的過程。通常情況下，電廠生產(chǎn)三相電。
電廠：三相電
電廠生產(chǎn)的交流電在同一時(shí)刻具有三個(gè)不同的相位，每個(gè)相位各相差120度。從電廠出來(lái)的電纜含有四根電線：三根相線外加一根地線。三相電用圖形表現(xiàn)出來(lái)的話，對(duì)地的波形如圖所示：
三相電源并沒有多么神奇，它只不過是三個(gè)相位相差120度的單相電。
為什么是三相電？為什么不是單相、兩相或四相？單相、兩相供電，正弦波每秒有120次電壓過零點(diǎn)。三相電在任何給定的時(shí)刻，都有一相電接近峰值。大功率三相電動(dòng)機(jī)（用于工業(yè)生產(chǎn)）和三相焊接設(shè)備之類用電器便有平穩(wěn)的輸出功率。四相電不會(huì)顯著改善輸出功率平穩(wěn)性，但會(huì)增加第四根電線，這就使三相電成為自然的選擇。
那么這個(gè)“地”指的是什么呢？電力公司基本上是利用大地作為電力系統(tǒng)的一根電線。大地是一個(gè)非常好的巨大的導(dǎo)體，這就使大地成為一個(gè)非常好的電氣回路。（汽車制造商也做同樣的事情，他們使用汽車的金屬車身作為電氣系統(tǒng)的一根導(dǎo)線，將蓄電池的負(fù)極接到汽車車身。）配電網(wǎng)絡(luò)中的“地”確實(shí)就是室外的“大地”，也就是地球上的土地，巖石，地下水等。
輸電變電站
三相電在發(fā)電廠從發(fā)電機(jī)進(jìn)入變電站。變電站使用大型變壓器將發(fā)電機(jī)輸出的電壓（千伏級(jí)）轉(zhuǎn)換到非常高的電壓以用于遠(yuǎn)距離輸電。
發(fā)電廠里典型的變電站
在變電站的后面可以看到一些三相輸電塔。長(zhǎng)途輸電的典型電壓為155千伏至765千伏，高電壓可以降低線路損耗。典型的最大傳輸距離約為300英里（483千米）。高壓輸電線很明顯可以看到，它們通常是這樣的大鐵塔：
這樣的輸電塔有三根電線傳輸三相電。許多輸電塔，如上圖所示，沿著塔的頂端有額外的電線。這些額外的電線是接地線，主要是用來(lái)防雷。
電力從輸電網(wǎng)經(jīng)過逐級(jí)降壓后進(jìn)入配電網(wǎng)，供家庭和企業(yè)使用。這個(gè)過程分成幾個(gè)階段。輸電和配電的轉(zhuǎn)換發(fā)生在配電站。典型的配電站做兩到三件事：
- 將輸電電壓（幾十到幾百千伏）逐級(jí)降壓至配電電壓（通常不到10千伏）。
- 有一個(gè)“總線”，可以將配電送往各個(gè)方向。It has a "bus" that can split the distribution power off in multiple directions.
- 有斷路器和開關(guān)，在必要時(shí)可以使配電站與輸電網(wǎng)斷開，或使獨(dú)立配電線路與配電站斷開。
典型的小型變電站
前面的方形物體是一個(gè)大型變壓器。它的左側(cè)（為顯示完全，完整形狀見下圖）從輸電網(wǎng)輸入電源，并有一組開關(guān)控制電源的輸入。右側(cè)是一個(gè)配電總線外加三個(gè)穩(wěn)壓器。
輸電線進(jìn)入變電站，穿過控制塔
控制塔和主變壓器
下圖顯示的是配電總線。
配電總線
電力從變壓器至配電總線：
在這里，總線分配電力到兩個(gè)獨(dú)立的工作在不同電壓的配電線路設(shè)備。較小的變壓器連接到總線，將電壓降到標(biāo)準(zhǔn)線路電壓（通常為7200伏）輸送到線路，主變壓器向另一個(gè)方向輸送較高的電壓。從變電站輸出的電力沿著兩條線路——每條三根電線——向相反的方向前進(jìn)：
兩根電線桿之間的是起牽引作用的“張索”，不輸送電力。
下次你在路上開車的時(shí)候可以用一個(gè)完全不同的角度看一下輸電線路。在右圖所示的典型場(chǎng)景里，電線桿頂端的三根電線輸送三相電源。電線桿上位置較低的第四根電線是地線。在某些情況下，電線桿上會(huì)有更多的電線，通常是電話線或有線電視電纜。
如上所述，這個(gè)變電站產(chǎn)生兩種不同的電壓。電線上較高的電壓需要再次降壓，通常是在線路下游的另一處變電站或是一個(gè)小型的變壓器。例如，分支線路入口處旁邊的綠色大箱子（每邊長(zhǎng)可能是6英尺/1.8米）。里面的變壓器為分支線路提供降壓功能。
穩(wěn)壓器
輸電線路上可以找到埋設(shè)在地下或架設(shè)在空中穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)線路電壓，防止電壓過低或過高的情況出現(xiàn)。
典型的穩(wěn)壓器
穩(wěn)壓器上面有三個(gè)開關(guān)，維修時(shí)有必要的話可以斷開開關(guān)將穩(wěn)壓器與供電線路斷開：
這個(gè)角度，三條電線上并排輸送7200伏電力（較低位置的是第四條線，地線）：
分接頭
家庭用電只需要三相電中的一相，故而主干線上的三條電線通常在街頭分出一條或兩條。下圖是三相電到兩相電的分接頭，兩相電送至右方：
兩相到單相的分接頭，單相電送至右方：
用戶
最后，電力線將電力送到了用戶！過去一般住宅旁豎著一排電線桿，支撐著相線（7200伏）和地線（不過有時(shí)候電線桿上會(huì)有兩到三相電，這取決于房子在配電網(wǎng)中所處的位置）。每家都有一個(gè)變壓器桶，像這樣掛在電線桿上：
在許多郊區(qū)，配電線鋪設(shè)在地下，每一到兩家住戶安裝一個(gè)綠色的變壓器桶。下圖是電線桿上的一些細(xì)節(jié)：
變壓器的工作是將7200伏電壓降到240伏（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)為220伏——譯者注）使家用電器正常工作。讓我們?cè)購(gòu)南峦隙嗫匆幌逻@個(gè)電線桿，看看是怎么回事：
圖中有兩處需要注意：
- 有一根裸露的電線鋪設(shè)在電線桿上。
這是接地線。地球上的每一個(gè)電線桿上都有。如果你看過電力公司安裝新的電線桿，您將看到這根裸 露的電線纏繞固定在電線桿的根部，深入地下6到10英尺（1.8到3米），直接接觸大地。這是一個(gè)好的、堅(jiān)實(shí)接地連接。如果仔細(xì)檢查一下電線桿，你會(huì)看到 電線桿上的地線（通常還有“張索”）接到了這根接地線上。 - 從變壓器出來(lái)兩根電線，有三根電線進(jìn)入用戶家里。
從變壓器出來(lái)的兩根電線彼此絕緣，而第三根電線是裸露的。裸露的電線就是地線。兩根絕緣的電線各自攜帶120伏電壓，但它們之間的相位相差180度，這使它們的電壓差成為240伏。這種安排允許用戶同時(shí)使用120伏和240伏供電的電器。變壓器繞組按這種方式繞制：
240伏電壓通過這樣的電度表進(jìn)入你的房子：
電力公司根據(jù)電表度數(shù)收取電費(fèi)。
安全裝置：保險(xiǎn)絲
保險(xiǎn)絲和斷路器都是安全裝置。如果沒有在家里使用的保險(xiǎn)絲或斷路器，那很可能“出問題”。可能會(huì)發(fā)生什么問題呢？下面是一些例子：
- 電風(fēng)扇的電動(dòng)機(jī)軸承燒壞，堵轉(zhuǎn)，過熱和融化，造成電源和地之間短路。
- 散亂的照明線引起的電源短路。
- 老鼠咬破電線的絕緣層引起電源短路。
- 使用吸塵器的時(shí)候不小心碰到了照明線，扯斷電線引起電源短路。
- 在客廳懸掛圖片的時(shí)候，釘?shù)尼斪油蝗淮檀镤佋O(shè)的電源線引起電源短路。
當(dāng)120伏電源線與地線短路的時(shí)候，總是有盡可能多的電流過短路點(diǎn)。在這種情況下，不論是設(shè)備還是墻里的電線都會(huì)起火燃燒。（在墻里的電線將會(huì)變得像電烤箱里的電熱絲一樣熱，也就是非常熱?。┍ｋU(xiǎn)絲是一種簡(jiǎn)單的裝置，設(shè)計(jì)成在這種情況下非常迅速地過熱并燒毀。當(dāng)通過保險(xiǎn)絲的電流過載的時(shí)候，保險(xiǎn)絲里的薄箔片或金屬絲很快蒸發(fā)。這就立即斷開了電源，防止過熱發(fā)生。保險(xiǎn)絲每次燒毀后必須更換。斷路器檢測(cè)過載時(shí)產(chǎn)生的熱量從而驅(qū)動(dòng)一個(gè)開關(guān)，因此斷路器是可以復(fù)位的。
電源通過如圖所示的典型的斷路器進(jìn)入家庭。
安全裝置：斷路器
斷路器內(nèi)部（下圖）可以看到兩根電力線從變壓器出來(lái)后由上部進(jìn)入主斷路器。主斷路器允許你在必要的時(shí)候切斷所有電源。在這一總體格局中，房間里每個(gè)電源插座和照明燈的電線上都有了各自的斷路器或保險(xiǎn)絲：
如果斷路器閉合，電源經(jīng)過墻里的電線達(dá)到最后的目的地，電源插座。
這真的是令人難以置信！所有這些設(shè)備都是為了把發(fā)電廠產(chǎn)生的電源變成你臥室里的燈光。
今后在路上開車看到電力線的時(shí)候，或在家里打開一盞燈的時(shí)候，你將會(huì)對(duì)正在發(fā)生的事情有一個(gè)更清楚的了解。電力配電網(wǎng)真是令人不可思議。
