交流電和直流電的傳輸過程是怎樣的

交流電簡介

交流電（英文：AlternatingCurrent，簡寫AC）是指大小和方向都發(fā)生周期性變化的電流，因為周期電流在一個周期內(nèi)的運行平均值為零，稱為交變電流或簡稱交流電。英文簡寫為AC。不同直流電，其方向都是一樣。通常波形為正弦曲線。交流電可以有效傳輸電力。但實際上還有應用其他的波形，例如三角形波、正方形波。生活中使用的市電就是具有正弦波形的交流電。

折疊交流電力傳輸

交流電被廣泛運用于電力的傳輸，因為在以往的技術(shù)條件下交流輸電比直流輸電更有效率。傳輸?shù)碾娏髟趯Ь€上的耗散功率可用P= I2R（功率=電流的平方×電阻）求得，顯然要降低能量損耗需要降低傳輸?shù)碾娏骰螂娋€的電阻。由于成本和技術(shù)所限，很難降低目前使用的輸電線路（如銅線）的電阻，所以降低傳輸?shù)碾娏魇俏ㄒ欢矣行У姆椒ā８鶕?jù)P=IU（功率=電流×電壓，實際上有效功率P= IUcosφ），提高電網(wǎng)的電壓即可降低導線中的電流，以達到節(jié)約能源的目的。

而交流電升降壓容易的特點正好適合實現(xiàn)高壓輸電。使用結(jié)構(gòu)簡單的升壓變壓器即可將交流電升至幾千至幾十萬伏特，從而使電線上的電力損失極少。在城市內(nèi)一般使用降壓變壓器將電壓降至幾萬至幾千伏以保證安全，在進戶之前再次降低至市電電壓（中國、香港220V）或者適用的電壓供用電器使用。 一般使用的交流電為三相交流電，其電纜有三條火線和一條公共地線，三條火線上的正弦波各有120°之相位差。對于一般用戶只使用其中的一或兩條相線（一條時需要零線）。

近年來直流變壓及輸電技術(shù)取得了長足的發(fā)展，而高壓直流輸電的浪費會比較小；因此未來有望取代交流電以解決交流電的安全性和交直流轉(zhuǎn)換問題。

交流電傳輸過程詳解

我們得從電子與電荷講起。電流是電荷的流動，而不是電子。電子是特指一種實物粒子，它可能圍繞原子運轉(zhuǎn)，也可能處于游離態(tài)；而電荷是一個抽象概念，泛指帶電粒子，可能是失去了電子的粒子，帶正電，也可能是得到了電子的粒子，帶負電。

電荷具有的勢能稱為電勢，也就是電荷從一處向另一處移動的趨勢，比如法拉弟告訴我們：導體切割磁感線時會就在導體上產(chǎn)生流動的電荷。見下圖，一根與手掌四指方向平行的金屬棍沿姆指方向穿過磁場，兩端之間就會產(chǎn)生電勢：

人們一般用電壓來衡量電勢的大小，單位是伏特。電壓也稱為電位差，類似于高差。電位差也有正負，高處相對于低處是正，反之為負。比如干電池的正極相對于負極是+1.5V，負極相對于正極是-1.5V。

那么交流電是怎么回事呢？這又得從交流發(fā)電機說起了。我們知道電磁式發(fā)電機的基本原理是利用機械能使線圈在磁場的兩極間轉(zhuǎn)動；當線圈轉(zhuǎn)動時線圈切割磁感線，推動電荷移動產(chǎn)生電壓。見下圖：

由于線圈的運動呈周期性，在一個周期內(nèi)以兩個不同的方向（對于線圈的一邊來說）穿過磁場，電荷的運動方向完全相反，因此其產(chǎn)生的電壓呈正弦波形，如下圖所示：

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為了簡化機械結(jié)構(gòu)，發(fā)電機一般設計為磁心在線圈中間轉(zhuǎn)動。也就是說讓磁場轉(zhuǎn)動而不是線圈，下圖所示為一個線圈和磁心的結(jié)構(gòu)：

由于大型磁鐵轉(zhuǎn)子的加工成本非常高，穩(wěn)定性不佳，且難以控制磁場強度，因此轉(zhuǎn)子一般用電磁鐵來實現(xiàn)。也就是用電流通過鐵心上的繞阻來產(chǎn)生磁場，這種機制稱為“勵磁”。下圖為一個實際的多極發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖：

為了最大化發(fā)電效率，一般要在發(fā)電機中按裝三個線圈，這三個線圈兩兩呈120度夾角分布。注意上圖中紅色、綠色和黃色的三條線就是三個線圈，中間青色的是鐵質(zhì)轉(zhuǎn)子，前面銅色的是繞阻，用來產(chǎn)生磁場。發(fā)電機工作的具體原理比較復雜，也不在本文的討論范圍之內(nèi)，因此就不細講了。

由于每個線圈都有兩端，發(fā)電機工作時電荷就會在這兩端之間往復移動，形成前述的正弦波形電壓。如果在這兩端接上燈泡，就形成了電流回路。無論電路中電流的方向如何，經(jīng)過鎢絲（電阻）時都會做功產(chǎn)熱，燈也就亮了。電爐、電曖氣都是此原理。

電動機的原理與發(fā)電機正好相反，是利用正弦波電流產(chǎn)生不斷變換方向的磁場，推動磁芯轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電子類用電器情況就更復雜了，一般首先會經(jīng)過直流電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電再輸送給電子器件。這個交/直轉(zhuǎn)換的過程比較復雜，有興趣的同學可以參見這篇貼子：【火眼金睛 教你看懂電源內(nèi)部用料（原創(chuàng)）】。

為了節(jié)省發(fā)電機成本和輸電線材，發(fā)電機中的三個線圈的一端會連在一起，一般為Y型連接，這一端稱為中性線。在上面的發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖中可以看到三個線圈的一端分別接到了藍色的中性線上，而三個線圈的另一端就成為了發(fā)電機的三項輸出端。輸出的三條波型如下圖（b）所示。

中性線的電位也就是三條正弦波的平均值，即一直為零。此時雞賊的同學會跑來質(zhì)問我：這三相的一端擰在一起了，那它們的電荷是怎么移動的？嗯，這個問題看了動圖就明白了，請看：

http://zh.wikipedia.org/wiki/File:3-phase_flow.gif

上圖中左邊的三個線圈分別帶動右邊的三個電阻（用電器），不同顏色的圓點就帶表電荷在不同回路上的運動方向?？梢钥吹?，每條回路的電流方向都是呈周期變化的。其實用這三個輸出端的任意兩端連接在電阻（用電器）上都可以形成回路。

上述只是一個非常簡單的模型，與實際情況還是存在較大差異的。特別雞賊的同學就會發(fā)現(xiàn)問題：如果按照那幅動圖來說，輸送到家里的兩根線應該都是火線，只是相位不同罷了，可實際完全不是這么回事嘛！

為了解釋這個問題，就要扯到供電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)了，先說一下什么是接地。地球可以認為是一個非常良好的導體，接地就是把電荷引向大地。通常將大地作為標準零電位，那么接地的部分的電位也是零。下圖是一個接地極：

接下來看從發(fā)電廠到變電站的輸變電結(jié)構(gòu)圖：

上圖中三根紅線就是發(fā)電機出來的三相輸出，分別是A相，B相和C相。在左邊的發(fā)電機中三個線圈的一端擰在一起，連到一根中性線（中線）接地。

變壓器的輸出線圈也有三個輸出端，圖里只畫了一根火線L。如果是居民用電單位，比如有一個樓的三個單元共用一個變電站，往往會將三根火線分別送給這三個單元。對于每個住戶，輸入一根火線（相線）、一根中性線，有時還會加一根地線，這種輸電方式稱為單相兩線制或單相三線制。下圖的插頭是單相三線到單相兩線的轉(zhuǎn)換插頭，內(nèi)部的地線懸空不接。

如果用電單位是工廠，那可能會將三根火線和一根中性線一并輸送，稱為“三相四線制”，再加一根地線稱為“三相五線制”。當然也有一些小區(qū)會將三根相線都送入住宅，用于驅(qū)動空調(diào)等大型用電器。下面是一個常見的家用三相四線插座/插頭，最下面一個孔是中性線。

通向所有的用電單位的零線都連接在變壓器輸出線圈的另一端，并連接至大地。這條線也稱為中性線，其電位與發(fā)電機的中性線同樣為零，因此人們通常稱為零線。

從理論上講發(fā)電廠的中線和變電站的中性線是可以不接地的，但是當變電站輸出的三相負載不均衡時，中性線的電位就不為零，此時就需要將電荷導向大地，以保證用戶端的零線電位接近于零。

那這樣就非常清楚了，我們平時用的電都只是發(fā)電廠輸送過來的三相中的一相而已，而零線實際就等于發(fā)電機的中性線。如果只討論原理我們可以這樣認為：電荷就是在火線和零線間往反運動，帶動用電器做功。
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