快来电｜玩电不玩火

余耳朵

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FÍSICA
SEMANAL

从小白到电力工程师，电力工作者的《葵花宝典》。每周更新一集。

31/10/2021

第3回电术语

你好，欢迎来到【余宙·快来电】，我讲出毕生所学，给小白长见识也给电力工人于现场指导。第3回电术语今天我们来款几个电力工作中必须用到的专业术语：电压、电流、额定功率、补偿容量。 “电压”，才听见总会跟"水压"联系起来，总想象电压如同水压一样带有“压力”来驱动电流动，如同水压一样——电压越高电流越大。你有这样的感觉吗？事实上，相同负载下，电压越高电流越小，电压越低电流却越高。这就是为什么发电厂发出来电后要升高电压才输送到终端，升高输电电压就是为了减少输电线路上电流，从而减少输电线路损耗。 “电压”和“电流”均是人为给定的一个度量值，如同长度单位“米”和重量单位“公斤”一样。电压使用电压表来测量，电流采用电流表来测量，这两个仪器其实都是通过电能转换为磁能后驱动表计指针偏移，根据偏移的刻度来读取数值，用该数值反应电压或电流的大小和方向。这如同汽车上的转速和速度表一样，把转速和速度直观的反应在仪表盘指针的偏移量上。现实生活中，我们制造的所有用电设备只能在某个电压和电流范围内才能正常工作，过电压、过电流或欠电压、欠电流，用电设备都会发生损坏。这个用电设备正常工作的电压和电流便叫做额定电压和额定电流，在额定电压和额定电流下产生的有功功率称为额定功率。我国居民用电设备额定电压一般为200~230V。电压的单位为伏特，简称伏，用大写的V表示；电流的单位为安培，简称安，用大写的A表示；工作中一般都采用千来度量，即kV、kA。注意电力行业中默认书写方式是小写的k和大写的单位来表述，今后如果你见到全小写kv或ka或全大写的KV或KA时，立马大概率可以断定对方不是电力人士。当电流的单位为A，电压的单位为V时，能量的单位为J（焦耳，简称焦），当时间的单位为s（秒）时，功率的单位为W（瓦特，简称瓦）。如果你有一定数学基础，那么：功率是能量对时间的导数，能量是功率对时间的积分。如果你贪玩没怎么学，那么你可以理解成功率就是时间几乎为零的能量值（即瞬时能量即瞬时功率），而能量是功率一定时间里的积累。在交流电系统中，瞬时功率由两部分组成：第一部分为恒定量，它是瞬时功率中的不可逆部分；第二部分为正弦量，其频率是电压或电流频率的两倍，它是瞬时功率中的可逆部分，其值正负交替，表征能量在电源与负载之间来回交换。瞬时功率的实际意义不大，并且不便于测量，于是又引入平均功率的概念。平均功率又称有功功率，是指瞬时功率在一个周期内的平均值，用大写的P表示，其计算公式为 P=UIcosφ 有功功率代表负载实际消耗的功率，它不仅与电压和电流的有效值的乘积有关，还与他们之间的相位差有关，cosφ称为功率因数，用 λ表示。无功功率定义为Q=UIsinφ，它表征储能元件与电源之间进行交换的部分。在电力工作中常讲的电力设备容量又叫视在功率，由有功功率和无功功率组成，并规定视在功率用S表示，其大小等于有功功率的平方与无功功率的平方和的开根，即：视在功率S与有功功率P、无功功率Q满足勾股定理，其中φ=30°。有功功率、无功功率和视在功率都具有功率的量纲，为了便于区分，有功功率（含额定功率）单位用W（瓦），无功功率的单位用var（乏），视在功率用V·A（伏安）。说到这里，还要简单提一下电路中的电源和负载？如下图所示（听音频的同学，可以翻开文稿对照）：电源分为电压源和电流源两种，它们是二端有源元件，实际中发电机、蓄电池属于电压源，而光电池一类器件则属于电流源。与电源相连的外电路则称为负载。电压源的电流由外电路（负载）决定，电流源的端电压由外电路（负载）决定。例如，上图电路中电流 i 的大小由负载外电路决定。现在，我们来看《第2回电非电》里提到的灯泡的问题：电都是从正极去往负极，为什么直接到负极便会短路造成破坏，而中间经过一个小灯泡就相安无事了呢? 这是因为如果直接用导线将电池的正负极连接，整个电池的能量必须释放，因电压无限趋近于零，则电流此时必定发生跳变并无限趋近于电池所能释放能量的最大值，因现实中导线并不是电阻为零的理想导体，连通瞬间其有功功率也将跳变到一个极大值，并通过导线瞬间发热消耗掉。在这个极短的时间里，我们目前使用的导线材质或者说电池的材质不足于安全消耗掉这份热量，所以造成导线或电池烧坏。如果，我们在电路里串联一个电灯泡的负载（其电路模型相当于个电阻），其电路中流过的电流大小由这个电灯泡的额定功率决定（电压源的电流由外电路（负载）决定），这个试验中灯泡一般为1W，显然此时电路中电流很小，即使使用很细的导线来连接，通电后整个电路便可安全运行。补偿容量（单位为var，乏），是因为电网中无功功率偏高，造成功率因数 λ下降，而电网有功功率一定是恒定的，而电压在同一个电网中跟路径无关是个恒定值，那根据P=UIcosφ，必然导致电流 I 增大，增大电网损耗。为了降低这种情况，一般采用电容和电抗来补偿无功功率。关于电网的无功补偿，后面我会专门开一讲来讲述。下回，我们接着讲电力行业中常用的几个电力设备：变压器、断路器、互感器、输电导线和环网柜。再会。

11min
24/10/2021

第2回电非电

你好，欢迎来到【余宙·快来电】，我讲出毕生所学，给小白长见识也给电力工人于现场指导。第2回电非电上回提到，电可能是某种能量在特定物质里定向释放的过程；电蕴含着巨大的能量，接收自然界中75个超级雷电便可供我国用电一年。没错，平日里每天都用的、频繁到平凡的电，竟然这般不可思议。然而，就是这个平日里每天都用着的电，却是人类迄今为止发明的唯一能达到光速还能控制的“东西”，也正因为电的速度为光速（即30万公里/秒），所以在地球上任何地方，只要一按开关就一定有电——这不难理解，因为4万公里的地球周长跟电的速度比起来真是小之又小，转了一圈你仍会感觉电并需要时间，仿佛能超脱于时间外，这可比“曹操”快太多啦！于是，对刚踏入电力行业的小白或耕耘许久的专家，都会用一句标准话来总结:电力系统是一个发电、输电和用电同时进行的系统。在工作十余年中，我发现大部分人并没有理解“发电、输电和用电的同时性”，以至于工作中背规程，死搬硬套，运气不好还会弄出个事故来，降职减薪不说，说不定还要革职查办，着实受伤了。 “同时”这个词很要命，关键也在于此。我们大部分人的思维是线性的，顶多是个面，很难跳出这个定式变成球来。是不是听不懂？别急，我举个例子：电话里你问你老婆现在在干什么？你老婆很不客气的说：“我在带娃、洗衣和做饭，你在哪里鬼混！”如果你没有在“鬼混”，那你的第一反应是她在“带娃、洗衣和做饭”，同时做着“带娃、洗衣和做饭”的工作；如果你是你老婆，明明是问你现在在干什么，而你的第一反应一定是把“带娃”、“洗衣”、“做饭”这三个正在做、做了的或马上要做的事“和盘托出”。如果我们较真下，怎么可能同时带娃、同时洗衣和同时做饭呢？那岂不是至少要有两个分身，一个分身洗衣，一个分身做饭? 我们之所以都讲“同时”，其实已经默认“同时”并非严格的“同时”，允许有时间旷量的。比如在刚刚的例子里，大家一定默认哄下娃，然后去三楼把衣服放入洗衣机，再去一楼把米饭煮上，这一些列过程可以所谓“同时”。然而，在电的世界里，却异常严格，“同时”就是没有时间差的“同时”。你看，这就是我们集体意识在生活中很无意的表达之一。注意，必须清空平日里的所听所闻所想，全神贯注，才能理会电这个伟大的发明。现在我们来开个脑洞，想个怪异的问题:如果电以光速在输电线里行进，那么时间对这根导线会静止吗?如果这根导线内部或周围的时间静止了，那它还会老化吗？所谓电以光速传播，并不是电子从线路的一端以光速跑到另一端，而是导体在切割磁力线时，刹那间磁场转化为电场，导体里的第一个非常小的截面里的电子们在电场下刹那间定向排列，这个排列又会产生新的电场，新的电场又促使旁边另一个非常小的截面里的电子发生定向排列，又产生新的电场，如此往复下去便形成了“电流”，而处于宏观世界里的我们便感觉瞬间通电了。注意，这里“刹那”是借用佛家用语，意指时间几乎为零的时间，“非常小”也意指长度几乎为零的截面。这种电场与电子在时空里变换，与光波一样，所以通常认定电的传播速度与光速一样为30万公里/秒。直流电产生固定的电场，而交流电产生交变的电场。关于交变电场，留在以后讲“电的相位”时再讲述。电以光速在线路里跑，加上电一旦发出便是释放的过程，目前没有任何物质和技术可以直接储存电，所以我们现在的供电模式是:终端用多少电，发电厂就只能发多少电（不会多发也不会少发），输电线路上就跑了多少电，而这三个过程是在刹那间完成的。因为直接受用电设备、输电线路和发电厂影响，必然导致电力系统变化无常还很脆弱，所以我们必须将电通过多个发电厂和多条输电线路与多个变电站及用电设备连接起来，组成庞大的电网来增加供电容量和可靠性。当用电与发电不均衡达到一定程度时，必须人为的进行电力调度，否则会造成电网瓦解崩溃造成大面积停电，这就是现在为什么要“拉闸限电”的技术原因。电只能在特定物质里传输，如同光只能在真空和空气里传输一样。可导电的物质称为导体，如铜、铝、铁等；不能导电的物质称为绝缘体，如橡胶、塑料、干燥木头等；电压超过一定值才能导电的物质称为半导体，如硅、锗、坤化镓等。电的传输是有方向的，一定是从高电位走向低电位，从宏观看便是从发电厂（电源）向用电设备传输，然后经用电设备又传回发电厂（电源）。这里需要解释下: 在直流电源系统中，高电位对应电源正极，低电位对应电源负极，比如初中物理中一节干电池串一个灯泡和开关的简单电路里，合上开关灯泡变亮，此时电从电池的正极通过灯泡流回电池负极，形成电流回路，从而造成灯泡里钨丝发热发光。这时，如果把电池的正极和负极用导线连起来，那么瞬间火花四溅，导线烧坏电池也可能损坏，这就是电流短路，这是非常危险的操作。上边这个电路相信大家都见过甚至还动手操作过，可你有想过:电都是从正极去往负极，为什么直接到负极便会短路造成破坏，而中间经过一个小灯泡就相安无事了呢? 在380V或220V三相交流电源系统中，高电位对应相线（A、B、C相，用黄色标示A相、绿色标示B相、红色标示C相），而低电位对应零线（N相，用蓝色标示N相）。而在电压10kV及以上供电系统中，没有零线（N相），只有A、B、C三相线，那低电位对应着什么呢？电又最终流去哪里呢？我说电最终进入大地，你信不信? 这还真让人难于相信，我们每天都要踏着的大地，如果下面流入这么多电，那我们在上面岂不很危险?事实就是这样，你看打雷出来的闪电其实就是云层对大地的放电，只有把电释放入大地，闪电才会消失。大地深沉、宽广，甚至有容乃大，每天立于之上容易被我们忽略，不得不感叹宇宙之奥妙哪! 现在再回过头来看开头这句话:电可能是某种能量在特定物质里定向释放的过程。电发出来并不能直接使用，而要通过电力设备转换为我们需要的功能。通观目前所有电的运用，可分为以下两种: 第一种，电能。第二种，电数据。第一种“电能”容易理解。随处可见的照明灯泡为将电转换为光能，电磁炉将电转换为热能，电动机将电转换为动能，等等等。这些应用无非是将电转化为能使用的能量。而像芯片这种控制电路，却不是获得光、热、动能，而是通过电控制半导体开闭电路来形成信号，信号汇总成电数据，经运算后再来驱动外部设备实现我们需要的光、热和机械动作。举个例子，你看眼前这辆特斯拉modle Y，抛开电池组后它其实只由两部分组成:第一部分是以电动机为主的驱动和传动，第二部分是以处理器为核心的控制电路。两个部分都需要电，但电的运用却不相同:第一部分是将电转换为电能，第二部分就是将电转换为电数据。到这里，你发现没:我们制造出来的电，再使用时并没有在用电，而是用电转换后的其他能量来完成生活。换而言之，电这个东西是处于实体物质和我们熟悉的能量之间的一种能量暂态，电非电。下回科普几个电的重要参数、指标和几个重要的电力设备。再会。

13min
17/10/2021

第1回若即若离的电

如果你家停电了，那你现在心里一定一万个XXX在跑，目标就是“快来电”! 欢迎来到余宙·快来电，我将毕生所学，给小白长见识也给电力工人于现场指导。第1回若即若离的电最近，“拉闸限电”响彻大江南北，连“西电东输”南线的云南也不能幸免，真是“大跌眼镜”。在古代，我家云南自大元定“云南行省”后，每年要进“贡茶”，稍有闪失便有杀头的风险，故遇到像去年庚子这种灾年，得提前进京上表。即便当今，中缅天然气管道已成，安宁PX已运转多年，95#汽油价格依然稳坐全国三甲，紧跟海南和新疆。言归正传。目前，全球的电力以火电、水电为主。我国也不例外，火电约占70%，水电约占17%，剩下13%为风电、光伏和核电等。约90%的电力为第二、三产业消费，居民用电只占10%，而身处这10%里的你，尤其是在东北的你，恐怕已经领教停电的滋味了。可见，在2060年碳中和前，煤电还要继续，我不得不投身于进口煤炭的行列，为祖国民生贡献点微薄的力量。停电了，方知电存在得真真切切。什么是电？电又是什么？高中物理课本上说：电荷的移动产生电。度娘是这样： “电是一种自然现象，指静止或移动的电荷所产生的物理现象，是像电子和质子这样的亚原子粒子之间产生的排斥力和吸引力的一种属性。自然界的闪电就是一种电现象。电磁力是自然界四种基本相互作用之一。电子运动现象有两种：缺少电子的原子称为带正电荷，有多余电子的原子称为带负电荷。电发展出了现代电力工业和电子科技。在现实生活中，电的机制给出了很多众所周知的效应，例如闪电、摩擦起电、静电感应、电磁感应等等。人们利用它来使电灯发光，带动机械转动等。” 头条号紫翼流云的理解比较新颖： “电既不是一种物质，也不是一种波或场。是从发电厂发出来的一种东西，它和电磁波完全不一样，不要把二者混为一谈。而电是一种力，在真空中不能独立存在。……总之电就是一种衍生力，它不会凭空产生，也不会脱离介质而单独存在。能量的含义过于宽泛，并不能简单地把电称之为能量。我们的世界是三维的，在物理范畴的狭义上，能量的本质是物质，是一种失去三维结构的二维物质，比如电磁波。能量可以与物质之间来回转换，巨大的力能够把三维物质拆碎为二维，如核反应中损失的质量转化为电磁波辐射。电力就是一种势，势的高低之间的差就是电压，专业上又把电压叫做“电势差”。 ——摘自今日头条号紫翼流云《电的本质是什么？它对我们的影响是什么：浅谈电的科学问题》那电究竟是什么？什么是电？我即便科班出身，又耕耘电力十四载，可对此我也很无奈：我也不能准确说出电是什么？如果追至上古时代，电并不在五行中，但在八卦中——那便是震（雷）。我们不能像水、火那样可以亲眼见到，但可以像水、火那样真切感受到，十分接近巽风一样看不见闻不见摸得着。我猜测电是能量在特定物质形态里定向瞬间释放的过程，具有定向和短暂性。我们现在所用的电一般指电压380V或220V交流电，是由发电厂中三相交流发电机通过切割磁力线产生，以光速通过电力线路传输至用电设备。电的直接表现就是导体或设备一旦通电便会发热和受力，同时能在周围产生电场。电遵守能量守恒，用千伏安表征电力容量，其大小由发电厂发电机机组容量决定。相同电压、相同频率的电可并网使用，其电力容量总和等于各分支电的和。电的特性与水相似，电压相当于水压，并且规定电压的方向从高电位指向低电位，如同水总是从高处流向低处一样，所不同的是水流较慢，而电流传播速度为光速。自然界中一个普通的雷电可释放约十亿瓦特电，折合一千度电，而一个超级闪电可达一千万度电，如果按照2020年我国全年用电量7.5亿度，那么接收75个超级闪电便可供我国一年使用。作为凡人的我们，究其一生不过宇宙中一尘埃。电是一个奇怪未知的东西，时而化身天使时而化身魔鬼，幸好在人间有规可循，并可以人为地制造、传输和运用。下回，我们来侃侃电的运用。再会。

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