电网工作原理

正心健康管理 2010-04-28

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电能有点像我们呼吸的空气：直到失去它，我们才会真正意识到它的存在。电总是在“守候着”，持续地满足人类的每一个需求。只有当停电的时候，当您走进漆黑的房间，本能地按下不起作用的电灯开关时，您才会意识到电在我们的日常生活中是多么重要。我们用电来加热、降温、烹饪、冷冻、照明、音响、计算、娱乐……没了它，生活多少将会变得麻烦起来。

电是通过一个令人惊奇的配电网从发电站输送到人们家中的。

这个网络无处不在——如果您住在郊区或者乡下，那么很有可能它就在露天，所有人都能看到它。事实上，您可能根本就没有意识到它的存在。因为司空见惯，所以您的大脑可能对所有的电线都视而不见。在这篇文章中，我们将以美国为例，考察所有那些将电输送到人们家中的各种设备。这样，当您以后再看到电网设备时就能好好打量一番并且理解它的作用了。

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发电站

电能最初来自于发电站。在大多数情况下，发电站都装备有一台转动的发电机。发电机的转子必须通过某种方式来驱动——可以是水力发电的水坝中的水轮、大型的柴油发动机或者燃气轮机。但是在大多数情况下，驱动发电机转子的是蒸汽轮机。蒸汽可以由燃煤、燃油或者烧天然气来产生，此外，还可以由核反应堆来产生，比如这台座落于美国北卡罗莱纳州罗利市附近的希隆·哈里斯核电站中的反应堆：

不论是什么驱动发电机转动，任何规模的商用发电机发出的电都属于所谓的三相交流电。要理解三相交流电，有必要先理解单相电是怎么回事。

美国能源部供图
美国主要发电站的分类图（按类型显示）

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交流电

我们在家中使用的是单相电。通常在美国，说到家用电子设备，指的都是单相120伏电器。如果使用示波器观察房子里墙板上的普通电源插座中的电，您会发现它看上去像是正弦波，波动的幅度在-170伏和170伏之间（峰值的确是170伏；有效（均方根）电压才是120伏）。这个正弦波波动的频率为每秒钟60个循环，像这样的波动电流通常被称为交流电（AC）。与之相对的是直流电（DC）。电池提供直流电：一股稳定的电子流统一地从电池的负极流向正极。

在配电网中，交流电比起直流电至少有三个优点：

大型发电机直接生产的电是交流电。因而，要将交流转化为直流电就得再添加一个额外的步骤。
变压器只能处理交流电，我们将会看到，配电网依赖于变压器。
将交流电转化为直流电很容易实现，但是，要把直流电转化为交流电就没那么简单了。所以，如果您既想使用直流电又想使用交流电，那么提供交流电源是更好的选择。

因此，发电站生产的是交流电。在下一页，您将会了解发电站中生产交流电的信息。最引人注意的是，它提供的是三相电。
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三相电

发电站同时生产三个不同相位的交流电，这三股电流的相位间有120度的位移。每座发电站都有四条输出电线：三相电流加上三者共用的零线或者叫做地线。将这三个相位的电流画在图上，相对于地线的图像将会是下面的这个样子：

三相电并没什么神奇之处，它只不过是将三个单相电流同步再将相位偏移120度。

为什么是三相的？而不是单相、两相或者四相？因为，在单相和两相电中，每秒钟有120个时刻正弦波穿过零伏特。而在三相电中，在任一时刻三个相位电流中总有一个接近峰值。大功率三相发动机（在工厂设备中使用）以及像三相焊接设备这样的电器因而就有了平稳的功率输出。四相电不会带来太大幅度的改善，但却需要增加第四根电线，所以三相是很明智的选择。

那么上文提到的“地线”是怎么回事？电力公司实际上使用大地作为电力系统中的电线中的一根。大地是很好的导体并且它很巨大，所以它为电子提供了很好的返回路径。（汽车制造商也如法炮制；他们使用汽车的金属外壳作为汽车电子系统的电线之一并把汽车电池的负极与车身相连。）配电网中的“地线”顾名思义就是您每天在外面行走于其上的“大地”，它包括大地的泥土、岩石、地下水等物质。

5、变电所

三相电流从发电机发出后进入发电站的输电变电所，这个变电所使用大型变压器将发电机产生的电压（几千伏特水平）升高到极高电压以提供给输电网进行远程输送。

典型的发电站变电所

您还可以看到背景中几个支撑着三根电线离开变电所的输电塔。远程输电的电压通常在155,000到765,000伏，采用这样的高压是为了降低线路中的损失。通常，最大输送距离大约是483公里。高压输电线看起来非常显眼，它们一般由巨大的铁塔组成：

所有这样的塔都有三根电线对应三相电。很多如上图中的那些塔，在它们的顶部都安装有额外的电线，这些电线是地线，主要是用来吸引雷电。

6、配电网

为了家用和商用，电流离开输电网并经过降压进入配电网。这个步骤可能要经过几个阶段,从“输送”到“分配”的转变发生在电力变电所。电力变电所通常进行两个或三个步骤：

使用变压器将输电电压（在几万到几十万伏特范围）降低到配电电压（通常低于一万伏特）。
由“干线”将配电电流分开送往多个方向。
它通常有断路器和开关，所以能够在必要时将变电所从输电网上断开或者将单个配电线从变电所断开。

一座典型的小变电所

前方的盒子是个大型的变压器。在它的左边（在这幅图的显示范围外，但是具体则显示在下一张图上）是来自输电网的电流和一组相关开关。右边是配电干线和三个稳压器。

输电线进入变电所并经过开关塔

开关塔和主变压器

现在画面中的就是配电干线。

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配电干线

电从变压器流向配电干线：

在这幅图中，干线把电分配到两组不同电压的独立配电线路中。与干线相连的较小的变压器将电流降压到标准线路电压（通常是7,200伏），并提供给其中的一组配电线。而另一个方向流出的则是主变压器的更高电压的电流。电流以两组每组三根线的形式离开变电所，它们沿马路朝不同的方向延伸：

两根电线杆中间的线是起固定作用的“张索”，它们并不携带电流。

下次沿路驾车时，您就可以用一种完全不同的眼光审视这些输电线了。右图典型场景中的电线杆顶部是输送三相电的三根电线，电线杆上较低的第四根线是地线。在某些情况下，还可能会有额外的电线，它们通常是电话或者闭路电视的信号线，由同样的电线杆支撑。

正如上文所述，这个特定的变电产生两种不同的电压。电压较高的电线需要进一步降压，这个步骤将会在另一个变电所或者线路下某处的小型变压器中完成。例如，您会经常在配电所入口看到较大的绿柜子（可能边长有1.8米），将由它来实现这个配电所的降压工作。

8、稳压器

您还会看到沿着输电线分布的稳压器组，它们可能位于地下或者装设在空中。它们调整线路中的电压避免以过低和过高电压的出现。

典型的稳压器组

在上部有三个开关，它们能够在必要时断开稳压器组以方便维修：

在这里，我们有了典型的输电电压，大约7,200伏特，电流通过三根电线流向周围的社区（电线杆上还有第四根地线）：

9、分接头

一座房子只需要三相电流中的一个，所以通常会看到大路上有三根电线，而分接头则负责将其中的一根或两根接到路旁街道。下图中显示的是三相到两相的分接头，分开后的两个相位的电从右边流出：

这里是一个两相到单相分接头，单相电流从右边流出。

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房屋中的电

最后，该说说将电送到房子里的电线了。通过一般房屋的是一组电线杆，它们输送一个相位的电（电压为7,200伏特），还有一根地线（不过，有时会有两个或者三个相位在电线杆上，这取决于房屋在配电网中所处的位置）。每座房屋都有一个鼓状的变压器安装在电线杆上，如图：

在很多位于郊区的居民区中，配电线是位于地下的，每一两座房子会有一个绿色的变压器柜。这里是电线杆上的一些细节：

变压器的作用就是将7,200伏的电压降到240伏以提供日常家居用电。让我们从下面再查看一下电线杆，看看还能发现什么：

这幅图中需要注意的有两点：

有一根裸线沿电线杆延伸下来。
这是根地线。地球上每个电线杆都有一根地线。如果您观看过电力公司安装一根新的电线杆，就会看到裸线一端的线圈钉在了电线杆的根部，因而与大地直接接触，深度大约是1.8到3米，这是一种良好而坚固的接地连接。如果仔细研究电线杆，您会发现两根电线杆之间的地线（张索通常也是如此）通过这种直接连接来接地。
有两根线离开变压器，共三根电线走向用户房屋。
变压器中导出的两根是绝缘的，第三根是裸线,裸线是地线。两根绝缘线中电流的电压每根120伏，不过它们的相位相差180度，所以二者的电压差为 240伏。这种配置使住户既可以使用120伏也可以使用240伏的电器设备。变压器是以如下方式缠绕的：

240伏的电流通过一个典型的电表进入您的房子：

电力公司则通过这个电表来收取架设安装这些电线的费用。

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保险丝

保险丝和断路器属于安全设备。假设房子没有安装保险丝或者断路器，并且出了“毛病”。问题可能出在哪里呢？这里有一些例子：

电扇马达烧坏了轴承座并被卡住，过热并融化，这导致电源与地的直接相连。
电灯的电线松掉并将电源和地直接连接了起来。
老鼠咬穿了电源的绝缘层并将电源和地直接连接了起来。
有人在用吸尘器清理电灯线时不小心切断了电线而将电源和地直接连接了起来。
有人要在客厅挂一幅画，用来固定画的钉子刺穿了墙里面的电线而将电源和地直接连接了起来。

当120伏的电源线直接与地相连，它会本能地通过这个连接抽取尽可能多的电。在这种情况下，不论是电器还是墙上的电线都会着起火来。（墙壁中的电线将会变得像电烤箱中的东西那样，相当的热！）。保险丝是一种为此设计的简单设备，在上述的情况下，它能够迅速过热并被烧断。保险丝通常使用一片金属薄片或者线，当超负荷的电流流过它时能够迅速蒸发。这样就能够迅速切断电源和导线，防止过热，保险丝每次烧坏后都得替换。断路器则使用过载产生的热量来松开开关，因而断路器可以重置。

就这样，电通过上面提到的那种典型的断路器面板进入您家。

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