中國新疆中部的電力塔網(wǎng)絡(luò)在夕陽的映襯下剪影。看 核電圖片.

　　電力有點(diǎn)像你呼吸的空氣：你不會真正去想它，直到它消失了。權(quán)力就“在那里”，不斷滿足您的各種需求。

　　只有在停電時(shí)，當(dāng)你走進(jìn)一個(gè)黑暗的房間，本能地按下無用的電燈開關(guān)時(shí)，你才會意識到電力在你的日常生活中是多么重要。

　　您使用電力 加熱， 冷卻， 烹飪， 制冷， 光， 聲音, 娛樂，計(jì)算機(jī)，移動設(shè)備，甚至您的汽車。沒有權(quán)力，我們所知道的生命就不存在。

　　電力通過一個(gè)稱為 配電網(wǎng).網(wǎng)格非常公共 - 如果你住在郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，它很可能就在露天供所有人看到。事實(shí)上，它是如此公開，以至于您可能甚至不再注意到它了。你 腦 可能忽略了所有的電源線，因?yàn)樗?jīng)常看到它們。

　　盡管我們大多數(shù)人都認(rèn)為電網(wǎng)是理所當(dāng)然的，但這絕不簡單。美國有450，000英里(724，205公里)的高壓電力線和160，000英里(257，500公里)的架空輸電線路將發(fā)電廠連接到家庭和企業(yè)[來源： 母鹿].由于無法儲存大量能量，因此必須在使用時(shí)產(chǎn)生電力[來源： 環(huán) 評].配電網(wǎng)必須快速響應(yīng)不斷變化的需求，并不斷產(chǎn)生電力并將其輸送到最需要的地方。

　　電網(wǎng)也在不斷發(fā)展。現(xiàn)在，技術(shù)的升級使我們能夠使用太陽能電池板或風(fēng)力發(fā)電機(jī)將自己的家庭發(fā)電連接到電網(wǎng)，并由公用事業(yè)公司償還。美國聯(lián)邦政府也在投資所謂的 智能電網(wǎng) 采用數(shù)字技術(shù)更有效地管理能源資源。智能電網(wǎng)項(xiàng)目還將擴(kuò)大電網(wǎng)的范圍，以訪問地?zé)岚l(fā)電和風(fēng)電場等可再生能源的遠(yuǎn)程來源[來源： 母鹿].

　　在本文中，我們將介紹所有將電力帶到您家中的設(shè)備，以及哪些類型的故障會導(dǎo)致停電。

　　發(fā)電廠

　　主要發(fā)電廠的細(xì)分美國，按類型。

　　照片由 美國能源部電力從發(fā)電廠開始。在幾乎所有情況下，發(fā)電廠都由 旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī).必須有什么東西來旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī) - 它可能是水力發(fā)電大壩中的水車，一個(gè)大型 柴油機(jī) 或燃?xì)廨啓C(jī)。但在大多數(shù)情況下，旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的東西是一個(gè) 汽輪機(jī).蒸汽可能是通過燃燒煤、石油或天然氣產(chǎn)生的。或者蒸汽可能來自 核反應(yīng)堆.

　　發(fā)電是美國溫室氣體排放的最大單一來源[來源： 美國環(huán)保署].這就是為什么開發(fā)更多的可再生能源如此重要的原因。2014年，美國67%的電力來自煤炭和天然氣等化石燃料。水力發(fā)電是最大的可再生能源，其次是太陽能、風(fēng)能和地?zé)崮堋?014年，美國6%的電力來自水力發(fā)電，而太陽能、風(fēng)能和熱能則來自太陽能、風(fēng)能和熱能。 一起 占另外5%[來源： 環(huán) 評].

　　無論發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)什么能源，任何規(guī)模的商用發(fā)電機(jī)都會產(chǎn)生所謂的 三相交流電源.要了解三相交流電源，首先了解單相電源是有幫助的。

　　發(fā)電廠：交流電

　　單相電源 是你家里的東西。您通常將家用電氣服務(wù)稱為單相 120 伏交流電服務(wù)。如果您使用示波器并查看在普通墻板上發(fā)現(xiàn)的功率 出口，你會發(fā)現(xiàn)墻板的功率看起來像一個(gè) 正弦波，該波在 -170 伏和 170 伏之間振蕩。峰值確實(shí)為 170 伏;它是 120 伏的有效 (RMS) 電壓。

　　正弦波的振蕩速率為每秒 60 個(gè)周期。像這樣的振蕩功率通常被稱為交流電，或 交流電.交流電的替代方案是直流電，或 直流. 電池 產(chǎn)生直流電：穩(wěn)定的電子流僅沿一個(gè)方向流動，從電池的負(fù)極到正極。

　　在配電網(wǎng)中，交流電至少比直流電具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　大型發(fā)電機(jī)碰巧自然產(chǎn)生交流電，因此轉(zhuǎn)換為直流電將涉及額外的步驟。

　　變壓器必須有交流電才能運(yùn)行，我們將看到配電網(wǎng)依賴于變壓器。

　　將交流電轉(zhuǎn)換為直流電很容易，但將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的成本很高，因此如果您要選擇一個(gè)或另一個(gè)交流電將是更好的選擇。

　　因此，發(fā)電廠生產(chǎn)交流電。在下一頁中，您將了解發(fā)電廠產(chǎn)生的交流電。最值得注意的是，它分三個(gè)階段生產(chǎn)。

　　發(fā)電廠：三相電源

　　發(fā)電廠同時(shí)產(chǎn)生三個(gè)不同相的交流電，這三個(gè)階段是 偏移 120 度 彼此之間。每個(gè)發(fā)電廠都有四根電線： 三個(gè)階段 加上中性或 地 這三者共有。

　　為什么是三個(gè)階段?為什么不是一個(gè)、兩個(gè)或四個(gè)?在 1 相和 2 相電源中，正弦波越過零時(shí)每秒有 120 個(gè)力矩 伏.在三相電源中，在任何給定時(shí)刻，三相中的一個(gè)都接近峰值。因此，大功率三相電機(jī)(用于工業(yè)應(yīng)用)和三相焊接設(shè)備等具有均勻的功率輸出。四相不會顯著改善情況，但會增加第四根導(dǎo)線，因此三相是自然的穩(wěn)定點(diǎn)。

　　那么上面提到的這個(gè)“地面”呢?電力公司基本上使用大地作為電力系統(tǒng)中的電線之一。地球是一個(gè)非常好的導(dǎo)體，它很大，所以它為電子提供了一條很好的返回路徑。(汽車制造商也做了類似的事情;他們使用汽車的金屬車身作為汽車電氣系統(tǒng)中的電線之一，并將電池的負(fù)極連接到汽車的車身上。配電網(wǎng)中的“地面”實(shí)際上是您走出去時(shí)周圍的“地面”。它是地球的泥土、巖石、地下水等。

　　輸電變電站

插座并立即獲得高速互聯(lián)網(wǎng)接入。這項(xiàng)服務(wù)已經(jīng)在美國的幾個(gè)城市提供，但有一些團(tuán)體和政府機(jī)構(gòu)正在努力阻止 " src="https://supp.iczoom.com/images/public/202301/1673578377183007339.gif" width="290" height="217"/>

　　想象一下，將計(jì)算機(jī)插入家中的任何電源插座并立即獲得高速互聯(lián)網(wǎng)接入。這項(xiàng)服務(wù)已經(jīng)在美國的幾個(gè)城市提供，但有一些團(tuán)體和政府機(jī)構(gòu)正在努力阻止

　　三相電源離開發(fā)電機(jī)并進(jìn)入 輸電變電站 在發(fā)電廠。該變電站使用大型變壓器將發(fā)電機(jī)的電壓轉(zhuǎn)換或“升壓”為極高的電壓，以便在輸電網(wǎng)上進(jìn)行長距離傳輸。長距離傳輸?shù)牡湫碗妷涸?155，000 至 765，000 伏特之間。電壓越高，由于電阻而損失的能量越少[來源： 加州大學(xué)蘇薩分校].

　　典型的最大傳輸距離約為 300 英里(483 公里)。當(dāng)您看到高壓輸電線路時(shí)，它們非常明顯。它們是巨大的鋼塔，排成一條線，向地平線延伸。

　　所有高壓塔都有三根用于三相的電線。許多塔樓還沿著塔頂鋪設(shè)了額外的電線。這些是地線，主要是為了吸引閃電.

　　配電網(wǎng)

　　電力從“傳輸”轉(zhuǎn)換為“分配”發(fā)生的地方是在變電站中。

　　何塞·伯納特·巴塞特/蓋蒂圖片社為了使電力在家庭或企業(yè)中有用，它從輸電網(wǎng)中脫落并且 已下臺 到配電網(wǎng)。這可能分幾個(gè)階段發(fā)生。從“傳輸”到“分配”的轉(zhuǎn)換發(fā)生的地方是 變電站.變電站通常做兩到三件事：

　　它具有變壓器，可將傳輸電壓(在數(shù)萬或數(shù)十萬伏范圍內(nèi))“降壓”到配電電壓(通常小于10，000伏)。

　　它有一個(gè)“總線”，可以在多個(gè)方向上分配配電功率。

　　它通常具有斷路器和開關(guān)，以便變電站可以與輸電網(wǎng)斷開連接，或者在必要時(shí)可以將單獨(dú)的配電線路與變電站斷開。

　　電源從變壓器到 配電總線.總線將電力分配到當(dāng)?shù)嘏潆娋€路。總線有自己的變壓器，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐哪茉葱枨蠼祲夯蛏龎骸?/span>

　　在總線上，可能有兩組獨(dú)立的配電線路，電壓不同。連接到總線的較小變壓器將一組線路的功率降至標(biāo)準(zhǔn)線路電壓(通常為 7，200 伏)，而電源在主變壓器的較高電壓下從另一個(gè)方向離開。

　　下次你在路上開車時(shí)，你可以用完全不同的眼光看電線。在典型的電線桿上，電線桿頂部的三根電線是三相電源的三根電線。兩極下方的第四根導(dǎo)線是地線。在某些情況下，會有額外的電線，通常 電話, 有線電視 或在同一根桿子上的互聯(lián)網(wǎng)線路。

　　承載更高電壓的線路在進(jìn)入住宅樓和大多數(shù)企業(yè)之前需要進(jìn)一步降壓。這通常發(fā)生在另一個(gè)變電站或線路某處的小型變壓器中。例如，您經(jīng)常會在分區(qū)入口附近看到一個(gè)大的綠色盒子(一側(cè)可能為 6 英尺或 1.8 米)。它正在執(zhí)行細(xì)分的降壓功能。

　　監(jiān)管機(jī)構(gòu)銀行

　　鳥兒棲息在電線上。請注意，有三根電線來自極點(diǎn)。

　　MATEUSZ CYBART/EYEEM/GETTY IMAGES您還會發(fā)現(xiàn)位于沿線的監(jiān)管機(jī)構(gòu)銀行，無論是地下還是空中。地上的調(diào)節(jié)器組看起來像三個(gè)垃圾桶大小的變壓器，由兩個(gè)電線桿支撐。它們調(diào)節(jié)線路上的電壓，以防止欠壓和過壓情況。調(diào)節(jié)器組致力于在三根電線(第四根地線在桿子上較低)上保持穩(wěn)定的 7，200 伏電壓穿過附近。

　　大多數(shù)家庭和企業(yè)只需要單相電源，因此通常您會看到三根電線沿著主干道運(yùn)行，并且 水龍頭 在小街上跑掉。電線桿上的水龍頭可以配置為為住宅和商業(yè)建筑提供單相或兩相電力。

　　為您的房屋發(fā)電

　　接地或電氣接地為電子提供了良好的返回路徑。了解接地和配電系統(tǒng)，從地線到裸線。

　　最后，我們來到了為您的房屋供電的電線!經(jīng)過一個(gè)典型的房子運(yùn)行一組桿子，帶有一相電源(7，200伏)和一根地線(盡管有時(shí)桿上會有兩到三相，具體取決于房屋在配電網(wǎng)中的位置)。在每所房子里，都有一個(gè) 變壓器卷筒 附著在桿子上。

　　在許多郊區(qū)社區(qū)，配電線路是 地下 每家每戶或兩戶都有綠色的變壓器箱。

　　變壓器的工作是將 7，200 伏降低到 240 伏 這構(gòu)成了正常的家庭用電服務(wù)。讓我們從底部再看一遍這個(gè)桿子，看看發(fā)生了什么：

　　請注意，有一根裸線沿著桿子向下延伸。這是一根接地線。地球上的每一根電線桿都有一個(gè)。如果您曾經(jīng)觀看過電力公司安裝新桿子，您會發(fā)現(xiàn)裸線的末端以線圈形式固定在桿子的底部，因此與大地直接接觸，在地下運(yùn)行 6 到 10 英尺(1.8 到 3 米)。這是一個(gè)良好、牢固的接地連接。如果你仔細(xì)檢查一根電線桿，你會發(fā)現(xiàn)在電線桿之間運(yùn)行的地線(通常是來自側(cè)面的拉線)連接到這個(gè)與地面的直接連接上。

　　有兩根電線從變壓器中流出，三根電線連接到房子。變壓器的兩個(gè)是絕緣的，第三個(gè)是裸露的。裸線是地線。兩根絕緣線各承載 120 伏，但它們異相 180 度，因此它們之間的差異為 240 伏。這種安排允許房主同時(shí)使用 120 伏和 240 伏電器。變壓器以這種配置接線：

　　2003年的大規(guī)模停電說明了標(biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)固有的一個(gè)主要問題。

　　240伏特通過 電度計(jì)，它測量您的電力消耗，以便電力公司可以向您收取所有這些電線的費(fèi)用。過去，抄表員會定期檢查您的儀表以記錄您的使用情況。作為國家升級的一部分 智能電網(wǎng) 技術(shù)，數(shù)以百萬計(jì)的住宅電表現(xiàn)已被替換為 智能電表 直接與電力公司溝通。該公用事業(yè)公司不僅可以遠(yuǎn)程讀取您的儀表，而且在停電時(shí)會立即收到通知，從而加快恢復(fù)時(shí)間[來源： 母鹿].

　　安全裝置：保險(xiǎn)絲

　　電源通過斷路器面板進(jìn)入家庭。

　　熔斷器 和斷路器是安全裝置.假設(shè)您家中沒有保險(xiǎn)絲或斷路器，并且“出了問題”。 可能出現(xiàn)什么問題?以下是一些示例：

　　一把風(fēng)扇 發(fā)動機(jī) 燒壞軸承，卡住，過熱和熔化，導(dǎo)致電源和接地之間的直接連接。

　　燈中的電線松動并直接將電源接地。

　　鼠標(biāo)咬斷電線中的絕緣層，直接將電源接地。

　　有人不小心用 吸塵器，在此過程中切斷并直接將電源接地。

　　一個(gè)人在客廳里掛著一幅畫，用于畫的釘子碰巧刺穿了墻上的電源線，直接將電源接地。

　　當(dāng) 120 伏電源線直接接地時(shí)，其生活目標(biāo)是通過連接泵送盡可能多的電力。在這種情況下，設(shè)備或墻上的電線都會起火。(墻上的電線會變熱，就像電烤箱中的元件變熱一樣，也就是說非常熱!

　　一個(gè) 保險(xiǎn)絲 是一種簡單的設(shè)備，旨在在這種情況下極快地過熱和燒毀。在保險(xiǎn)絲中，當(dāng)電流過載通過時(shí)，一塊薄薄的箔片或電線會迅速蒸發(fā)。這會立即切斷電線的電源，防止其過熱。保險(xiǎn)絲每次燒壞時(shí)都必須更換，這就是為什么很少有家庭仍在使用它們的原因。

　　一個(gè) 斷路器 利用過載產(chǎn)生的熱量使開關(guān)跳閘，因此斷路器可復(fù)位。電源通過 斷路器面板.里面 斷路器面板 是從變壓器進(jìn)入 主斷路器 在頂部。主斷路器允許您在必要時(shí)切斷整個(gè)面板的電源。在這個(gè)整體設(shè)置中，房屋中不同插座和燈的所有電線都有一個(gè)單獨(dú)的斷路器或保險(xiǎn)絲。

　　如果斷路器打開，則電流流過墻上的電線并最終到達(dá)其最終目的地 出口.

　　并網(wǎng)可再生能源系統(tǒng)

　　如果您居住在亞利桑那州、新墨西哥州和內(nèi)華達(dá)州等州，那么擁有 太陽能電池板.亞利桑那州圖森市每年平均日照時(shí)間超過3，800小時(shí)[來源： 當(dāng)前結(jié)果].過去，如果您想使用太陽能電池板或風(fēng)力渦輪機(jī)等可再生資源產(chǎn)生自己的電力，則必須運(yùn)行”離網(wǎng)“ — 與當(dāng)?shù)仉娏具\(yùn)行的電網(wǎng)斷開連接。

　　現(xiàn)在，由于技術(shù)的升級以及政策和法規(guī)的變化，大多數(shù)州和公用事業(yè)公司允許個(gè)人自己發(fā)電并與更大的電網(wǎng)保持聯(lián)系。

　　它是如何工作的?有了特殊的電表和一些電流逆溫設(shè)備，房主可以利用陽光和風(fēng)能等可再生資源來補(bǔ)充他們從電網(wǎng)獲得的電力。如果圖森是陰天，擁有并網(wǎng)房屋的人們不必在黑暗中閱讀。他們可以根據(jù)需要使用來自主電網(wǎng)的電力或多或少。

　　更好的是，如果房主能夠產(chǎn)生比他們需要的更多的電力，當(dāng)?shù)毓檬聵I(yè)公司將從他們那里購買多余的電力，本質(zhì)上是“倒轉(zhuǎn)電表”[來源： 母鹿].

　　家用電池

　　傳統(tǒng)并網(wǎng)太陽能系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是消費(fèi)者在早上和晚上使用大部分電力，而太陽能發(fā)電在中午達(dá)到頂峰。從本質(zhì)上講，房主將白天的能源出售給公用事業(yè)公司，然后在晚上買回。2015年，電動汽車公司特斯拉汽車公司(Tesla Motors)宣布了其Powerwall系統(tǒng)，這是一種壁掛式鋰離子電池，可在家中存儲千瓦的太陽能發(fā)電，可充電并隨時(shí)可用[來源： 特斯拉].

　　停電的原因是什么?

　　自由女神像是為數(shù)不多的不受2003年大停電影響的建筑之一，這場停電使紐約市和附近地區(qū)陷入癱瘓。

　　2003年8月14日下午4點(diǎn)剛過，美國東部和加拿大的大片地區(qū)一片黑暗。2003年的大規(guī)模停電影響了美國八個(gè)州和加拿大安大略省的5000萬人。一些地區(qū)的電力兩天沒有恢復(fù).

　　雖然 停電 這種規(guī)模很少見，它們引起了人們對電網(wǎng)系統(tǒng)弱點(diǎn)的關(guān)注。美國-加拿大電網(wǎng)實(shí)際上由三個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng)組成：東部互連，西部互連和ERCOT互連(也稱為德克薩斯互連)。在這三個(gè)電網(wǎng)中的每一個(gè)，數(shù)百個(gè)發(fā)電廠必須發(fā)電，以滿足整個(gè)電網(wǎng)不斷變化的電力需求。

　　如果一個(gè)發(fā)電廠倒閉，或者一條高壓輸電線路被切斷，或者一臺發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，那么其他機(jī)組必須收拾殘局。通常這不是問題。但是，當(dāng)電力需求很高時(shí)——就像2003年8月那個(gè)炎熱的下午一樣——電網(wǎng)中的孤立故障可能會引發(fā)一連串的故障，導(dǎo)致數(shù)百萬人停電。

　　2003年停電的原因是人為錯誤，計(jì)算機(jī)故障和電力線附近雜草叢生的樹木。它始于俄亥俄州北部的一些發(fā)電機(jī)因機(jī)械故障而離線。負(fù)載被轉(zhuǎn)移到附近的發(fā)電機(jī)，但雜草叢生的樹木與架空電力線接觸，導(dǎo)致這些線路跳閘。該地區(qū)的公用事業(yè)公司沒有足夠的監(jiān)控系統(tǒng)，因此工人們未能認(rèn)識到情況的嚴(yán)重性，然后該地區(qū)的發(fā)電機(jī)過載并關(guān)閉

　　像一個(gè) 斷路器，當(dāng)負(fù)載高到危險(xiǎn)時(shí)，電網(wǎng)的組件可能會“跳閘”并關(guān)閉。結(jié)果是負(fù)載被傳遞到電網(wǎng)的其他部分，這些部分也可能關(guān)閉，產(chǎn)生導(dǎo)致停電的多米諾骨牌效應(yīng)。

　　雖然可以糾正人為錯誤和計(jì)算機(jī)故障，但公用事業(yè)公司對惡劣天氣無能為力。惡劣天氣 - 大風(fēng)，雷擊，大雪 - 是美國停電的頭號原因[來源： 母鹿].

　　下次你開車在路上看電線，或者下次你打開燈時(shí)，你希望能更好地了解正在發(fā)生的事情。配電網(wǎng)確實(shí)是一個(gè)令人難以置信的系統(tǒng)。