電能有點(diǎn)像我們呼吸的空氣：直到失去它，我們才會(huì)真正意識(shí)到它的存在。電總是在“守候著”，持續(xù)地滿足人類的每一個(gè)需求。只有當(dāng)停電的時(shí)候，當(dāng)您走進(jìn)漆黑的房間，本能地按下不起作用的電燈開關(guān)時(shí)，您才會(huì)意識(shí)到電在我們的日常生活中是多么重要。我們用電來加熱、降溫、烹飪、冷凍、照明、音響、計(jì)算、娛樂……沒了它，生活多少將會(huì)變得麻煩起來。

電是通過一個(gè)令人驚奇的配電網(wǎng)從發(fā)電站輸送到人們家中的。

發(fā)電站

電能最初來自于發(fā)電站。在大多數(shù)情況下，發(fā)電站都裝備有一臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子必須通過某種方式來驅(qū)動(dòng)——可以是水力發(fā)電的水壩中的水輪、大型的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或者燃?xì)廨啓C(jī)。但是在大多數(shù)情況下，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的是蒸汽輪機(jī)。蒸汽可以由燃煤、燃油或者燒天然氣來產(chǎn)生，此外，還可以由核反應(yīng)堆來產(chǎn)生，比如這臺(tái)座落于美國北卡羅萊納州羅利市附近的希隆·哈里斯核電站中的反應(yīng)堆：

不論是什么驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，任何規(guī)模的商用發(fā)電機(jī)發(fā)出的電都屬于所謂的三相交流電。要理解三相交流電，有必要先理解單相電是怎么回事。

美國能源部供圖 美國主要發(fā)電站的分類圖（按類型顯示）

交流電

我們?cè)诩抑惺褂玫氖菃蜗嚯?。通常在美國，說到家用電子設(shè)備，指的都是單相120伏電器。如果使用示波器觀察房子里墻板上的普通電源插座中的電，您會(huì)發(fā)現(xiàn)它看上去像是正弦波，波動(dòng)的幅度在-170伏和170伏之間（峰值的確是170伏；有效（均方根）電壓才是120伏）。這個(gè)正弦波波動(dòng)的頻率為每秒鐘60個(gè)循環(huán)，像這樣的波動(dòng)電流通常被稱為交流電（AC）。與之相對(duì)的是直流電（DC）。電池提供直流電：一股穩(wěn)定的電子流統(tǒng)一地從電池的負(fù)極流向正極。

在配電網(wǎng)中，交流電比起直流電至少有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1. 大型發(fā)電機(jī)直接生產(chǎn)的電是交流電。因而，要將交流轉(zhuǎn)化為直流電就得再添加一個(gè)額外的步驟。
2. 變壓器只能處理交流電，我們將會(huì)看到，配電網(wǎng)依賴于變壓器。
3. 將交流電轉(zhuǎn)化為直流電很容易實(shí)現(xiàn)，但是，要把直流電轉(zhuǎn)化為交流電就沒那么簡(jiǎn)單了。所以，如果您既想使用直流電又想使用交流電，那么提供交流電源是更好的選擇。

三相電

發(fā)電站同時(shí)生產(chǎn)三個(gè)不同相位的交流電，這三股電流的相位間有120度的位移。每座發(fā)電站都有四條輸出電線：三相電流加上三者共用的零線或者叫做地線。將這三個(gè)相位的電流畫在圖上，相對(duì)于地線的圖像將會(huì)是下面的這個(gè)樣子：

三相電并沒什么神奇之處，它只不過是將三個(gè)單相電流同步再將相位偏移120度。

為什么是三相的？而不是單相、兩相或者四相？因?yàn)?，在單相和兩相電中，每秒鐘?20個(gè)時(shí)刻正弦波穿過零伏特。而在三相電中，在任一時(shí)刻三個(gè)相位電流中總有一個(gè)接近峰值。大功率三相發(fā)動(dòng)機(jī)（在工廠設(shè)備中使用）以及像三相焊接設(shè)備這樣的電器因而就有了平穩(wěn)的功率輸出。四相電不會(huì)帶來太大幅度的改善，但卻需要增加第四根電線，所以三相是很明智的選擇。

典型的發(fā)電站變電所

您還可以看到背景中幾個(gè)支撐著三根電線離開變電所的輸電塔。遠(yuǎn)程輸電的電壓通常在155,000到765,000伏，采用這樣的高壓是為了降低線路中的損失。通常，最大輸送距離大約是483公里。高壓輸電線看起來非常顯眼，它們一般由巨大的鐵塔組成：

一座典型的小變電所

前方的盒子是個(gè)大型的變壓器。在它的左邊（在這幅圖的顯示范圍外，但是具體則顯示在下一張圖上）是來自輸電網(wǎng)的電流和一組相關(guān)開關(guān)。右邊是配電干線和三個(gè)穩(wěn)壓器。

輸電線進(jìn)入變電所并經(jīng)過開關(guān)塔

開關(guān)塔和主變壓器

配電干線

電從變壓器流向配電干線：

在這幅圖中，干線把電分配到兩組不同電壓的獨(dú)立配電線路中。與干線相連的較小的變壓器將電流降壓到標(biāo)準(zhǔn)線路電壓（通常是7,200伏），并提供給其中的一組配電線。而另一個(gè)方向流出的則是主變壓器的更高電壓的電流。電流以兩組每組三根線的形式離開變電所，它們沿馬路朝不同的方向延伸：

兩根電線桿中間的線是起固定作用的“張索”，它們并不攜帶電流。

您還會(huì)看到沿著輸電線分布的穩(wěn)壓器組，它們可能位于地下或者裝設(shè)在空中。它們調(diào)整線路中的電壓避免以過低和過高電壓的出現(xiàn)。

典型的穩(wěn)壓器組

在上部有三個(gè)開關(guān)，它們能夠在必要時(shí)斷開穩(wěn)壓器組以方便維修：

在這里，我們有了典型的輸電電壓，大約7,200伏特，電流通過三根電線流向周圍的社區(qū)（電線桿上還有第四根地線）：

9、分接頭

這里是一個(gè)兩相到單相分接頭，單相電流從右邊流出。

房屋中的電

最后，該說說將電送到房子里的電線了。通過一般房屋的是一組電線桿，它們輸送一個(gè)相位的電（電壓為7,200伏特），還有一根地線（不過，有時(shí)會(huì)有兩個(gè)或者三個(gè)相位在電線桿上，這取決于房屋在配電網(wǎng)中所處的位置）。每座房屋都有一個(gè)鼓狀的變壓器安裝在電線桿上，如圖：

在很多位于郊區(qū)的居民區(qū)中，配電線是位于地下的，每一兩座房子會(huì)有一個(gè)綠色的變壓器柜。 這里是電線桿上的一些細(xì)節(jié)：

變壓器的作用就是將7,200伏的電壓降到240伏以提供日常家居用電。讓我們從下面再查看一下電線桿，看看還能發(fā)現(xiàn)什么：

這幅圖中需要注意的有兩點(diǎn)：

• 有一根裸線沿電線桿延伸下來。
  這是根地線。地球上每個(gè)電線桿都有一根地線。如果您觀看過電力公司安裝一根新的電線桿，就會(huì)看到裸線一端的線圈釘在了電線桿的根部，因而與大地直接接觸，深度大約是1.8到3米，這是一種良好而堅(jiān)固的接地連接。如果仔細(xì)研究電線桿，您會(huì)發(fā)現(xiàn)兩根電線桿之間的地線（張索通常也是如此）通過這種直接連接來接地。

   

• 有兩根線離開變壓器，共三根電線走向用戶房屋。
  變壓器中導(dǎo)出的兩根是絕緣的，第三根是裸線,裸線是地線。兩根絕緣線中電流的電壓每根120伏，不過它們的相位相差180度，所以二者的電壓差為 240伏。這種配置使住戶既可以使用120伏也可以使用240伏的電器設(shè)備。變壓器是以如下方式纏繞的：

240伏的電流通過一個(gè)典型的電表進(jìn)入您的房子：

保險(xiǎn)絲

• 電扇馬達(dá)燒壞了軸承座并被卡住，過熱并融化，這導(dǎo)致電源與地的直接相連。
• 電燈的電線松掉并將電源和地直接連接了起來。
• 老鼠咬穿了電源的絕緣層并將電源和地直接連接了起來。
• 有人在用吸塵器清理電燈線時(shí)不小心切斷了電線而將電源和地直接連接了起來。
• 有人要在客廳掛一幅畫，用來固定畫的釘子刺穿了墻里面的電線而將電源和地直接連接了起來。

斷路器

在斷路器面板中（右圖），您能夠看到兩根從變壓器來的主線從頂部進(jìn)入主斷路器。主斷路器可以在必要時(shí)切斷通往整個(gè)面板的電源。在這樣的總體設(shè)置之下，房中的所有電源插座和電燈都有獨(dú)立的斷路器或者保險(xiǎn)絲：

接通斷路器，電源就會(huì)通過墻上的電線最終到達(dá)它的目的地——電源插座。

多么不可思議的事情！電就是通過所有這些設(shè)施和設(shè)備從發(fā)電站來到家里為您點(diǎn)亮臥室的燈光。

下次沿著馬路駕車看到這些輸電線時(shí)、打開一盞燈時(shí)，您一定會(huì)對(duì)這背后的原理有更深的體會(huì)。電力輸配送網(wǎng)真是一個(gè)令人難以置信的系統(tǒng)！