电气技术的应用

　　自然界的电闪雷鸣很早就引起了人们的注意。在我国商代(公元前16～公元前11世纪)的甲骨文中就出现了“雷”字，它是按照古人造字的象形原则，字的上半部分象形雨点，下部分象形车轮，以代表隆隆的声音。“”字出现在周朝(公元前1100～公元前771年)的青铜器上。字的上半部分代表雨点，下半部分代表闪电。英文中电字electricity是16世纪由William·Gibert(威廉姆·吉尔伯特1544～1603年)提出，他是从希腊文字中的琥珀(ηλεκτρον)引申出来的，因为这时知道摩擦琥珀可以生电。

　　中国古代人们对雷电的观察十分细致，在《易经》中多次记载着雷电现象，如“雷在天上”、“泽上有雷”、“雷出地”等等。雷电给人以深刻的印象，还可以从一些谚语中看到，如雷霆万钧、迅雷不及掩耳、风驰电掣等。在中国，人们认为有雷公电母这些神仙用雷电作为惩罚坏人的武器。欧洲斯堪的那维亚半岛人相信雷电是雷神(Thor)的锤子在敲打，希腊人则认为是宙斯(Zeus)发怒时的吼声和射出的箭。

　　雷电现象是自然界所固有的，人们能够控制并重复实现的电学现象是摩擦琥珀后使它可以吸引纸屑等微小物体。中国汉代的王充(27～107年)在其著作《论衡》中写道：“夫雷，火也。……阴阳分事则相校轸，校轸则激射，激射为毒，中人则死，中木木折，中屋屋毁。”文中的意思是说当两种因素分离的时候，有相互的作用力。这种作用是很激烈的，产生的火焰能使人死、树折、屋毁。

　　战国时期吕不韦(?～公元前225)所著《吕氏春秋》卷九中记载：“慈石召铁，或引之也。”按学者高诱的注释，作者认为磁石和铁是母子关系，因为铁是从磁铁石中提炼出来的，两者的作用如母亲召唤儿子。这种将自然现象拟人化的现象在古代是很常见的。书中磁铁的磁直接运用了慈爱的慈，还特意在注释中说明不慈的铁矿石就不能吸铁。

　　天上的雷电和琥珀摩擦似乎是毫不相***事情，就力量的大小而言，一个惊天动地，一个微不足道，从现象上人们很难认为这是同一属性的东西。直到18世纪富兰克林(Benjamin. Francklin 1706～1790)成功进行了著名的风筝试验，而另外一位科学家里希曼(G.W.Richmann 1711～1753)则在相似的雷电试验中牺牲。科学家们所探索的电给我们今天的生活带来了巨大的实惠，也给我们建筑电气设计提供了最初的基石。

　　1802年俄国学者彼德罗夫(1761～1834)用伏打电堆研究放电现象。为了提高电压不断增加伏达电堆单元，最后做成了2100个单元的伏打电堆。电压达到1700V，能提供的电流约0.2A，电堆联结起来的总长度达13m!彼德罗夫用这个装置成功地实现了放电，同时看到放电的火花不是转瞬即逝，而是成为持续的电弧，产生耀眼的白光并产生可使导线熔化的高温。若改用两个炭棒为电极，并保持一定的电压，电流就可以形成稳定的电弧。他预感到发现电弧的重大意义：“电弧的光将使黑暗变成一片光明”，他还指出电弧可以使各种金属很快熔化，将在冶金中得到应用。

　　1840年，英国科学家格罗夫(William Robert Grove1811～1896)进行了一个实验。对玻璃罩内的白金丝通以电流，当电流足够大时，铂丝达到炽热而发光。但是只能维持几个小时铂丝就烧毁了。虽然还不切实用，最早的白炽灯就这样出现了。

　　1844年，法国物理学家佛库特(JeanBernardLeonFoucault1819～1868)制成以木炭为电极的弧光灯，用于显微镜的照明。但因炭电极消耗很快，仅能维持短时间使用。1854年在美国的德国人戈培尔(HeinrichGobel1818～1893)用炭化竹丝密封在玻璃泡内制成的电灯泡，成本比较低，不过使用时间仍然不长。

　　1876年，俄国出现了街道及家庭的电力照明，雅布罗奇可夫(1847～1894)采用高岭土调以镁粉的涂片代替灯丝。这种涂片在常温下并不导电，开始时玻璃管中先产生了气体放电，放电产生的热量对涂片加热使之导电并发光。

　　美国的发明家托马斯·爱迪生研究灯泡的故事几乎是家喻户晓，他努力收集前人研究资料，并纪录了4万页的笔记。他认为白炽灯构造简单易于使用，比电弧灯更有前途，关键在于用什么材料才能延长灯丝的寿命。在两年的时间内，他试验了1600多种材料，包括各种金属、木材、石墨、稻草、亚麻、马鬃，甚至连他朋友的胡须也用来进行了试验，都遭到了失败。在许多人对他讥笑的时候，爱迪生仍然坚韧不拔地探索，终于在1879年10月21日用棉纱为原料，经过炭化处理作为灯丝，并将玻璃泡抽真空再行密封。他终于成功了，灯泡连续点燃达45小时。他并没有就此停步，又试验了各地所产的6000多种植物纤维，后来选中了日本产的竹丝为原料，电灯泡的寿命可达数百或上千小时，1879年取得美国专利。1882年投入成批生产耐用的炭丝灯泡。与此同时，英国的J.W.斯旺也成功地制出耐用的炭丝灯泡，因此产生了发明权的争执。后来斯旺也与爱迪生组成联合公司解决了争端。炭丝白炽灯逐渐被人们普遍采用。1905年以后，由于冶金技术的进步，才发展钨丝灯泡。

　　白炽灯泡构造看起来简单，原理也并不复杂，但是从开始研制到实用经过了几十年的时间和许多人的努力。白炽灯一直沿用至今，看起来短时间也不会被淘汰。但是，最新的理论认为：白炽灯的效率太低(电能3%转换为光能，其余97%转换为热能)，不符合“绿色照明”的要求。无论怎样说，以白炽灯为标志的电力照明的出现，其社会影响十分巨大，为纪念这个伟大的发明，美国的某个大城市曾经在用电高峰的夜晚停电几分钟进行悼念爱迪生诞辰100周年。

　　电力装置的设计或运行都要进行计算，以了解设备上所需的电压、电流，线路上各处信号的衰减、延迟、失真等现象。这些问题有一个共同的特点，就是需要采用简捷的方法，获得所需要的定量结果。允许有一些近似，而且也不必重新研究发生的物理过程和细节。1826年，G.S.欧姆提出的欧姆定律就是一个典型的理论，其定律形式：e=IR或U=IR形式十分简单，所讨论的问题限于电流I及电动势e或电压u，导体的作用只用一个参量R代表，就可以求出电流I，而不去讨论电池或导体中发生的详细物理过程。1832年J.亨利提出的电感系数L，也具有这样的特点。他把线圈中发生的电磁感应的复杂过程，用一个参数L表示，即磁通Φ=Li，所以感应电动势为：e=(ф/L)R

　　在1778年，A.伏打就提出电容C的概念，导体上储存电荷Q=CU，而不必从整个静电场去计算，即使在充放电过程中，也可以由i=dq/dt=Cdu/dt去分析电流与电压的关系。当然，RLC所代表的元件是理想的，各自反映了一种物理过程。但实际电气元件的物理情况不难由RLC的适当组合去近似地表示出来，这种组合人们称之为“电路”。

　　电路是实际电气器件的近似模型，反映了器件的主要性能。选定了等效的电路模型，进一步的问题就是如何才能够计算电路中各处的电压和电流了。这些关系是德国科学家基尔霍夫(Gustav Robert Kirch-hoff 1824～1887)1845年提提出的。他在深入地研究了G.S.欧姆等人的工作之后，提出了电路中两条基本定律：

　　(1)电流定律-汇集到电路的一个节点上的各电流，其代数和必为零。

　　(2)电压定律-沿着电路中的一个闭合回路上，电动势的代数和必须等于电压的代数和。

　　这是根据能量守恒原理得到的推论，因为各种电源的作用已经由电动势代表，线圈上的电磁感应也只由其端上的电压、电流表示为u=Ldi/dt，元件外部仅剩下电压和电流了。根据这两条定律，可以列出有关电压和电流的方程，联立求解就可以算出回路中的电压和电流。

　　1847年，基尔霍夫继续发表了一篇重要的论文，证明在复杂的电路网络中，根据前面两条定律所能列出的独立方程的个数，恰好等于支路的个数。因此如果电路中各电源的电动势及各元件的参数已知，则列出的独立方程能求解各支路电流。

　　按照实际器件建立电路模型，是重要的创造性的工作。英国W.汤姆逊就是这方面杰出的代表。1853年他采用RLC串联的电路模型，分析了充有电荷的莱顿瓶放电过程，得出了过程中电流有往复振荡和逐渐衰减的性质，并计算出振荡频率与RLC参数的关系。他又在1855年采用电容与电阻的梯形电路，代表电缆上传送信号的过程，得出了电报信号经过长距离传送所产生的衰减、延迟、失真等现象。1857年G.R.基尔霍夫研究了架空线路与电缆的差异，认识到架空线上的自感系数不能忽略，从而得出了完整的传输线的电压及电流方程式，人们称之为基尔霍夫方程。电路理论就这样建立起来了。

　　电路理论至今仍然是我们进行建筑供电设计的理论依据，没有纯熟的电路计算知识，在供电设计中会遇到相当大的困难。

　　1.发展

　　早期的工业生产，除人力之外只有以畜力、风力或水力作为动力。蒸汽机的发明，解决了动力来源的问题，最终导致了产业革命，生产力得到了巨大发展。但由每个需要动力的工厂必需安装锅炉、蒸汽机、笨重的皮带轮轴传动装置，还需要自己解决燃料来源及运输等问题，仍然很不方便。

　　电机的进步和交流电的应用，改变了这种状况。只要有人集中建造发电厂，或者利用水力，或者统一解决燃料问题，再用导线就可以将电能送到各个工厂或千家万户。对每个用户来说，只要具有电动机，就成为动力来源了。这就为工业的高速发展创造了良好的条件。电气化的时代到来了。

　　1879年美国在旧金山建成实验电厂向用户出售电能。我国也在这一年于上海建成了一台7.5kW电机的发电厂，主要是供照明用户之用。英国霍尔本电厂、俄国彼德堡电厂也先后建成。

　　从发电厂向用户输送电能的问题，早在1873年法国佛泰因(Epolit Fontine)在维也纳国际博览会上用燃气发动机带动发电机，输电到1km以外处的电动机成功地驱动了一台水泵。1874年，俄国的皮罗茨基(1845～1898)进行了直流输电的试验，并申请了专利。1880年在俄国《电》杂志的创刊号上发表了Π.A.拉契诺夫的论文，文中提出：当传输的电能增加或距离加长时必须升高电压。1881年，这个杂志又发表了M.德普列(MercelDeprez1843～1918)长距离的电力传输的论文，也提出了相同的结论。1882年他在法国建造了57公里的输电线路，将密士巴赫水电站的电能输送到巴黎展览会现场。该系统传输功率为3kW，始端电压为1413V，终端电压为850V，所用导线为4.5mm2，线路损失为总能量的78%。

　　电力系统发展过程中出现过使用直流电还是交流电的争论。争论开始于某些著名的人，包括美国的T.A.爱迪生和英国的W.汤姆逊都是反对使用交流电的，理由是交流电不安全，当然这也是了解不够的原故。随着电力传输的发展，交流电可以用变压器很方便地提高或降低电压，同时交流电机制造方便成本低廉，不会产生换向器故障等，这些优点终于被多数人承认，争论才逐渐平息了。

　　1888年，M.O.多里沃-多布罗夫斯基创立交流电的三相制，在1991年建成由法国劳奋水电站至德国法兰克福的三相交流高电压输电线路。在始端采用了90/15200V的升压变压器，在终端建有两座变电所将电压降低，输电效率已达到80%以上，经济效益比较显著，此后的交流输电就大都采用三相制了。

　　英国商人于1882年在上海开办了上海电光公司，建发电厂功率为12kW。1888年两广总督张之洞批准华侨黄秉常在总督衙门近旁建成电厂，供给总督衙门及一些居民照明用电。美国在1882年仅有发电厂3座，至1902年电厂已达3621座，发展十分迅速。欧洲各国兴建电厂数目也迅速增加，电力工业已经成为重要的产业部门了。

　　2.断路器

　　随着发电厂的建立，需要有通、断大电流且耐受高压的断路器设备。20年代最简单的断路器是金属棒与盛有水银的容器。接通时就是将金属棒插入水银中，断开时将棒提起。这种开关比较笨重，价钱也很贵，使用时要操动几次才能保证接触良好。这迫使人们寻求更好的办法。除了在接通后开关触点要接触良好之外，随着功率和电流的增大，断路器断开时产生的火花就成为电弧了。电弧的高温可以使触点烧环，甚至熔化，造成伤人或火灾。因此必须设法使电弧及早熄灭，使电路的分断成功。

　　1893年，在美国芝加哥的世界博览会上，M.O.多里沃-多布罗夫斯基展出了他设计的断路器，这个断路器还有过载时自动切断保护发电机的作用。可动的触头为厚的刀形铜片，片上有一根弹簧拉伸，同时有一个横担将铜刀锁住。这一过程由一个电磁铁控制，运行电流通过电磁铁的线圈，当电流超过了预先调定的限度时，电磁铁吸动将锁释放，铜刀就被弹簧的力量拉出，使电路断开，对发电机起保护作用。电弧在空气中运动而自然熄灭。自然熄弧的空气断路器，当时能承受的的电压约为15kV，电流不超过300A。1897年，英国工程师布朗(Charles Eugene Lancelot Brown 1863～1924)取得羊角形触头的断路器专利。羊角形放电间隙原来是用作架空线防雷之用，电弧产生后沿角形导体向上运动，使距离逐渐拉长而熄灭。

　　1895年，英国费朗梯(Shebas-tianZianideFerranti1864～1930年)取得油断路器专利，安装于迪波福特电站。油断路器是当触头分开时，使一个触头迅速浸入充满油的筒体内，以油隔断电弧通路使之熄灭。初想起来，油是易燃物，电弧又有高温，用油灭弧似乎是异想天开。但实际上只要触头动作足够快，不等到热量聚累，筒内缺少助燃的空气，油又是绝缘物，所以反而起了灭弧作用。

　　3.电力传输

　　电力传输的技术发展，表现在电压等级的不断提高。1906年发明了悬垂式绝缘子，它比针式绝缘子耐受的电压可以提高很多倍，而且机械强度也大为增加，可以承担更粗重的导线。分裂导线的发明使高压导线上的电晕损失减少。高压断路器亦出现多种类型，特别是灭弧技术不断改进。由自然熄弧发展为磁吹、油吹、高压空气吹弧等方法增强了断路器的分断能力。人们又研制了六氟化硫气体密封式高压电器及输电管道。这些技术使高电压及超高电压的大功率远程输电线路成为可能。

　　我国在70年代建成了西北的330kV线路，80年代又建成了东北、华中、华北的500kV输电线，并且还在迅猛发展之中。1908年美国开始出现110kV输电线路，到1922年又建成150kV线路。1923年再将输电电压提高到220kV。这以后欧洲许多国家也都建成220kV线路。20世纪30年代之后，输电电压再次提高。1936年美国建成287kW输电线。1959年苏联建成500kV输电线。

　　4.电力系统

　　随着电能的应用日益广泛，电力的需求不断增长形成了电力系统。因为电能供应有一个特点：发电机发出的电能必须与消耗的电能相等。人们目前还不能在工业规模上对大量电能进行储存。然而用户的用电却随着季节、日月、昼夜而不同。高峰时的负荷与平均数相差很大。因此，早期的那种单台发电机的供电方式就无法适应了，