交流电和直流电的传输过程是怎样的

交流电简介

交流电（英文：AlternaTIngCurrent，简写AC）是指大小和方向都发生周期性变化的电流，因为周期电流在一个周期内的运行平均值为零，称为交变电流或简称交流电。英文简写为AC。不同直流电，其方向都是一样。通常波形为正弦曲线。交流电可以有效传输电力。但实际上还有应用其他的波形，例如三角形波、正方形波。生活中使用的市电就是具有正弦波形的交流电。

折叠交流电力传输

交流电被广泛运用于电力的传输，因为在以往的技术条件下交流输电比直流输电更有效率。传输的电流在导线上的耗散功率可用P= I²R（功率=电流的平方×电阻）求得，显然要降低能量损耗需要降低传输的电流或电线的电阻。由于成本和技术所限，很难降低目前使用的输电线路（如铜线）的电阻，所以降低传输的电流是唯一而且有效的方法。根据P=IU（功率=电流×电压，实际上有效功率P= IUcosφ），提高电网的电压即可降低导线中的电流，以达到节约能源的目的。

而交流电升降压容易的特点正好适合实现高压输电。使用结构简单的升压变压器即可将交流电升至几千至几十万伏特，从而使电线上的电力损失极少。在城市内一般使用降压变压器将电压降至几万至几千伏以保证安全，在进户之前再次降低至市电电压（中国、香港220V）或者适用的电压供用电器使用。 一般使用的交流电为三相交流电，其电缆有三条火线和一条公共地线，三条火线上的正弦波各有120°之相位差。对于一般用户只使用其中的一或两条相线（一条时需要零线）。

近年来直流变压及输电技术取得了长足的发展，而高压直流输电的浪费会比较小；因此未来有望取代交流电以解决交流电的安全性和交直流转换问题。

交流电传输过程详解

我们得从电子与电荷讲起。电流是电荷的流动，而不是电子。电子是特指一种实物粒子，它可能围绕原子运转，也可能处于游离态；而电荷是一个抽象概念，泛指带电粒子，可能是失去了电子的粒子，带正电，也可能是得到了电子的粒子，带负电。

电荷具有的势能称为电势，也就是电荷从一处向另一处移动的趋势，比如法拉弟告诉我们：导体切割磁感线时会就在导体上产生流动的电荷。见下图，一根与手掌四指方向平行的金属棍沿姆指方向穿过磁场，两端之间就会产生电势：

人们一般用电压来衡量电势的大小，单位是伏特。电压也称为电位差，类似于高差。电位差也有正负，高处相对于低处是正，反之为负。比如干电池的正极相对于负极是+1.5V，负极相对于正极是-1.5V。

那么交流电是怎么回事呢？这又得从交流发电机说起了。我们知道电磁式发电机的基本原理是利用机械能使线圈在磁场的两极间转动；当线圈转动时线圈切割磁感线，推动电荷移动产生电压。见下图：

由于线圈的运动呈周期性，在一个周期内以两个不同的方向（对于线圈的一边来说）穿过磁场，电荷的运动方向完全相反，因此其产生的电压呈正弦波形，如下图所示：

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为了简化机械结构，发电机一般设计为磁心在线圈中间转动。也就是说让磁场转动而不是线圈，下图所示为一个线圈和磁心的结构：

由于大型磁铁转子的加工成本非常高，稳定性不佳，且难以控制磁场强度，因此转子一般用电磁铁来实现。也就是用电流通过铁心上的绕阻来产生磁场，这种机制称为“励磁”。下图为一个实际的多极发电机的结构示意图：

为了最大化发电效率，一般要在发电机中按装三个线圈，这三个线圈两两呈120度夹角分布。注意上图中红色、绿色和黄色的三条线就是三个线圈，中间青色的是铁质转子，前面铜色的是绕阻，用来产生磁场。发电机工作的具体原理比较复杂，也不在本文的讨论范围之内，因此就不细讲了。

由于每个线圈都有两端，发电机工作时电荷就会在这两端之间往复移动，形成前述的正弦波形电压。如果在这两端接上灯泡，就形成了电流回路。无论电路中电流的方向如何，经过钨丝（电阻）时都会做功产热，灯也就亮了。电炉、电暧气都是此原理。

电动机的原理与发电机正好相反，是利用正弦波电流产生不断变换方向的磁场，推动磁芯转子转动。电子类用电器情况就更复杂了，一般首先会经过直流电源将交流电转换为直流电再输送给电子器件。这个交/直转换的过程比较复杂，有兴趣的同学可以参见这篇贴子：【火眼金睛 教你看懂电源内部用料（原创）】。

为了节省发电机成本和输电线材，发电机中的三个线圈的一端会连在一起，一般为Y型连接，这一端称为中性线。在上面的发电机结构图中可以看到三个线圈的一端分别接到了蓝色的中性线上，而三个线圈的另一端就成为了发电机的三项输出端。输出的三条波型如下图（b）所示。

中性线的电位也就是三条正弦波的平均值，即一直为零。此时鸡贼的同学会跑来质问我：这三相的一端拧在一起了，那它们的电荷是怎么移动的？嗯，这个问题看了动图就明白了，请看：

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

上图中左边的三个线圈分别带动右边的三个电阻（用电器），不同颜色的圆点就带表电荷在不同回路上的运动方向。可以看到，每条回路的电流方向都是呈周期变化的。其实用这三个输出端的任意两端连接在电阻（用电器）上都可以形成回路。

上述只是一个非常简单的模型，与实际情况还是存在较大差异的。特别鸡贼的同学就会发现问题：如果按照那幅动图来说，输送到家里的两根线应该都是火线，只是相位不同罢了，可实际完全不是这么回事嘛！

为了解释这个问题，就要扯到供电网的结构了，先说一下什么是接地。地球可以认为是一个非常良好的导体，接地就是把电荷引向大地。通常将大地作为标准零电位，那么接地的部分的电位也是零。下图是一个接地极：

接下来看从发电厂到变电站的输变电结构图：

上图中三根红线就是发电机出来的三相输出，分别是A相，B相和C相。在左边的发电机中三个线圈的一端拧在一起，连到一根中性线（中线）接地。

变压器的输出线圈也有三个输出端，图里只画了一根火线L。如果是居民用电单位，比如有一个楼的三个单元共用一个变电站，往往会将三根火线分别送给这三个单元。对于每个住户，输入一根火线（相线）、一根中性线，有时还会加一根地线，这种输电方式称为单相两线制或单相三线制。下图的插头是单相三线到单相两线的转换插头，内部的地线悬空不接。

如果用电单位是工厂，那可能会将三根火线和一根中性线一并输送，称为“三相四线制”，再加一根地线称为“三相五线制”。当然也有一些小区会将三根相线都送入住宅，用于驱动空调等大型用电器。下面是一个常见的家用三相四线插座/插头，最下面一个孔是中性线。

通向所有的用电单位的零线都连接在变压器输出线圈的另一端，并连接至大地。这条线也称为中性线，其电位与发电机的中性线同样为零，因此人们通常称为零线。

从理论上讲发电厂的中线和变电站的中性线是可以不接地的，但是当变电站输出的三相负载不均衡时，中性线的电位就不为零，此时就需要将电荷导向大地，以保证用户端的零线电位接近于零。

那这样就非常清楚了，我们平时用的电都只是发电厂输送过来的三相中的一相而已，而零线实际就等于发电机的中性线。如果只讨论原理我们可以这样认为：电荷就是在火线和零线间往反运动，带动用电器做功。