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轉(zhuǎn)載自《建筑電氣設(shè)計(jì)與施工》唐海著，建筑工業(yè)出版社
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個人認(rèn)為值得一看,所以轉(zhuǎn)載過來

1.1電氣技術(shù)的發(fā)展
1.1.1電磁現(xiàn)象
自然界的電閃雷鳴很早就引起了人們的注意。在我國商代(公元前16～公元前11世紀(jì))的甲骨文中就出現(xiàn)了“雷”字，它是按照古人造字的象形原則，字的上半部分象形雨點(diǎn)，下部分象形車輪，以代表隆隆的聲音。“”字出現(xiàn)在周朝(公元前1100～公元前771年)的青銅器上。字的上半部分代表雨點(diǎn)，下半部分代表閃電。英文中電字electricity是16世紀(jì)由William·Gibert(威廉姆·吉爾伯特1544～1603年)提出，他是從希臘文字中的琥珀(ηλεκτρον)引申出來的，因?yàn)檫@時(shí)知道摩擦琥珀可以生電。
中國古代人們對雷電的觀察十分細(xì)致，在《易經(jīng)》中多次記載著雷電現(xiàn)象，如“雷在天上”、“澤上有雷”、“雷出地”等等。雷電給人以深刻的印象，還可以從一些諺語中看到，如雷霆萬鈞、迅雷不及掩耳、風(fēng)馳電掣等。在中國，人們認(rèn)為有雷公電母這些神仙用雷電作為懲罰壞人的武器。歐洲斯堪的那維亞半島人相信雷電是雷神(Thor)的錘子在敲打，希臘人則認(rèn)為是宙斯(Zeus)發(fā)怒時(shí)的吼聲和射出的箭。
雷電現(xiàn)象是自然界所固有的，人們能夠控制并重復(fù)實(shí)現(xiàn)的電學(xué)現(xiàn)象是摩擦琥珀后使它可以吸引紙屑等微小物體。中國漢代的王充(27～107年)在其著作《論衡》中寫道：“夫雷，火也。……陰陽分事則相校軫，校軫則激射，激射為毒，中人則死，中木木折，中屋屋毀。”文中的意思是說當(dāng)兩種因素分離的時(shí)候，有相互的作用力。這種作用是很激烈的，產(chǎn)生的火焰能使人死、樹折、屋毀。
戰(zhàn)國時(shí)期呂不韋(?～公元前225)所著《呂氏春秋》卷九中記載：“慈石召鐵，或引之也。”按學(xué)者高誘的注釋，作者認(rèn)為磁石和鐵是母子關(guān)系，因?yàn)殍F是從磁鐵石中提煉出來的，兩者的作用如母親召喚兒子。這種將自然現(xiàn)象擬人化的現(xiàn)象在古代是很常見的。書中磁鐵的磁直接運(yùn)用了慈愛的慈，還特意在注釋中說明不慈的鐵礦石就不能吸鐵。
天上的雷電和琥珀摩擦似乎是毫不相干的事情，就力量的大小而言，一個驚天動地，一個微不足道，從現(xiàn)象上人們很難認(rèn)為這是同一屬性的東西。直到18世紀(jì)富蘭克林(Benjamin. Francklin 1706～1790)成功進(jìn)行了著名的風(fēng)箏試驗(yàn)，而另外一位科學(xué)家里希曼(G.W.Richmann 1711～1753)則在相似的雷電試驗(yàn)中犧牲。
科學(xué)家們所探索的電給我們今天的生活帶來了巨大的實(shí)惠，也給我們建筑電氣設(shè)計(jì)提供了最初的基石。

1.1.2電力照明的發(fā)展
1802年俄國學(xué)者彼德羅夫(1761～1834)用伏打電堆研究放電現(xiàn)象。為了提高電壓不斷增加伏達(dá)電堆單元，最后做成了2100個單元的伏打電堆。電壓達(dá)到1700V，能提供的電流約0.2A，電堆聯(lián)結(jié)起來的總長度達(dá)13m！彼德羅夫用這個裝置成功地實(shí)現(xiàn)了放電，同時(shí)看到放電的火花不是轉(zhuǎn)瞬即逝，而是成為持續(xù)的電弧，產(chǎn)生耀眼的白光并產(chǎn)生可使導(dǎo)線熔化的高溫。若改用兩個炭棒為電極，并保持一定的電壓，電流就可以形成穩(wěn)定的電弧。他預(yù)感到發(fā)現(xiàn)電弧的重大意義：“電弧的光將使黑暗變成一片光明”，他還指出電弧可以使各種金屬很快熔化，將在冶金中得到應(yīng)用。
1840年，英國科學(xué)家格羅夫(William Robert Grove1811～1896)進(jìn)行了一個實(shí)驗(yàn)。對玻璃罩內(nèi)的白金絲通以電流，當(dāng)電流足夠大時(shí)，鉑絲達(dá)到熾熱而發(fā)光。但是只能維持幾個小時(shí)鉑絲就燒毀了。雖然還不切實(shí)用，最早的白熾燈就這樣出現(xiàn)了。
1844年，法國物理學(xué)家佛庫特(JeanBernardLeonFoucault1819～1868)制成以木炭為電極的弧光燈，用于顯微鏡的照明。但因炭電極消耗很快，僅能維持短時(shí)間使用。1854年在美國的德國人戈培爾(HeinrichGobel1818～1893)用炭化竹絲密封在玻璃泡內(nèi)制成的電燈泡，成本比較低，不過使用時(shí)間仍然不長。
1876年，俄國出現(xiàn)了街道及家庭的電力照明，雅布羅奇可夫(1847～1894)采用高嶺土調(diào)以鎂粉的涂片代替燈絲。這種涂片在常溫下并不導(dǎo)電，開始時(shí)玻璃管中先產(chǎn)生了氣體放電，放電產(chǎn)生的熱量對涂片加熱使之導(dǎo)電并發(fā)光。
美國的發(fā)明家托馬斯·愛迪生研究燈泡的故事幾乎是家喻戶曉，他努力收集前人研究資料，并紀(jì)錄了4萬頁的筆記。他認(rèn)為白熾燈構(gòu)造簡單易于使用，比電弧燈更有前途，關(guān)鍵在于用什么材料才能延長燈絲的壽命。在兩年的時(shí)間內(nèi)，他試驗(yàn)了1600多種材料，包括各種金屬、木材、石墨、稻草、亞麻、馬鬃，甚至連他朋友的胡須也用來進(jìn)行了試驗(yàn)，都遭到了失敗。在許多人對他譏笑的時(shí)候，愛迪生仍然堅(jiān)韌不拔地探索，終于在1879年10月21日用棉紗為原料，經(jīng)過炭化處理作為燈絲，并將玻璃泡抽真空再行密封。他終于成功了，燈泡連續(xù)點(diǎn)燃達(dá)45小時(shí)。他并沒有就此停步，又試驗(yàn)了各地所產(chǎn)的6000多種植物纖維，后來選中了日本產(chǎn)的竹絲為原料，電燈泡的壽命可達(dá)數(shù)百或上千小時(shí)，1879年取得美國專利。1882年投入成批生產(chǎn)耐用的炭絲燈泡。與此同時(shí)，英國的J.W.斯旺也成功地制出耐用的炭絲燈泡，因此產(chǎn)生了發(fā)明權(quán)的爭執(zhí)。后來斯旺也與愛迪生組成聯(lián)合公司解決了爭端。炭絲白熾燈逐漸被人們普遍采用。1905年以后，由于冶金技術(shù)的進(jìn)步，才發(fā)展鎢絲燈泡。
白熾燈泡構(gòu)造看起來簡單，原理也并不復(fù)雜，但是從開始研制到實(shí)用經(jīng)過了幾十年的時(shí)間和許多人的努力。白熾燈一直沿用至今，看起來短時(shí)間也不會被淘汰。但是，最新的理論認(rèn)為：白熾燈的效率太低(電能3％轉(zhuǎn)換為光能，其余97％轉(zhuǎn)換為熱能)，不符合“綠色照明”的要求。無論怎樣說，以白熾燈為標(biāo)志的電力照明的出現(xiàn)，其社會影響十分巨大，為紀(jì)念這個偉大的發(fā)明，美國的某個大城市曾經(jīng)在用電高峰的夜晚停電幾分鐘進(jìn)行悼念愛迪生誕辰100周年。

世界第四次生產(chǎn)力高潮——電力技術(shù)革命

世界第四次生產(chǎn)力高潮，也是第四次科學(xué)技術(shù)中心的轉(zhuǎn)移，大致發(fā)生在中國清朝光緒到中華民國這段時(shí)間，即世界興起電力技術(shù)革命的1879年到l 930年。這個時(shí)期，世界科學(xué)技術(shù)中心由歐洲轉(zhuǎn)移到美國，美國實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，成為世界第一經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國。
1． 學(xué)會“站在巨人肩膀上”
就在英國發(fā)動產(chǎn)業(yè)革命的時(shí)候，大批英國失業(yè)工人來到美國。1848—1849年歐洲革命失敗后，又有大批法國人、德國人、奧地利人，以及意大利人、俄羅斯人移居美國（1860年，160萬歐洲移民進(jìn)入美國，1875年達(dá)到260萬，其中包括工人和知識分子，他們把歐洲的科學(xué)技術(shù)帶到美國。后來成為歐美天然的信息渠道。）這成為美國引進(jìn)技術(shù)、發(fā)展工業(yè)和掃除南方封建奴隸勢力的突擊力量。

南北戰(zhàn)爭結(jié)束，美國發(fā)動—廠產(chǎn)業(yè)革命，繼承英、德實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展一批先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

(1)鐵路電訊先行 1865年結(jié)束南北戰(zhàn)爭之后，美國即發(fā)展鐵路和電訊。1869年，建成橫貫東西的大鐵路，使西部資源與東部工業(yè)結(jié)合起來，加快了工業(yè)化的速度。同時(shí)，在大西洋鋪設(shè)海底電纜，保證了歐美兩大陸信息暢通，結(jié)束了美國孤立于歐洲之外的境遇，對歐美貿(mào)易產(chǎn)生巨大影響。
(2)重視信息利用 由于血緣關(guān)系，歐美的信息交流十分頻繁，L歐洲任何新技術(shù)動向都能在美國得到反映，其反映速度之快。往往超過歐洲鄰國。1745年，荷蘭人發(fā)明蓄電池，第二年美國人富蘭克林(1706—1790)就進(jìn)行天電傳蓄的“費(fèi)城實(shí)驗(yàn)”。18帕年，英國人剛把蒸汽機(jī)裝到火車上，運(yùn)行尚未成功，美國人R．富爾頓(1765—1815)就發(fā)明了蒸汽機(jī)輪船（英國火車到1814年才試車使用。當(dāng)時(shí)有人建議拿破侖使用輪船作戰(zhàn)，拿破侖拒絕了，否則將對戰(zhàn)爭產(chǎn)生重要影響。）。歐洲人發(fā)明DDT，還沒試產(chǎn)，美國人已進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段，使馬鈴薯產(chǎn)量當(dāng)年翻番。

1837年英國發(fā)明電報(bào)，第二年美國就推廣使用。今天，技術(shù)信息速度就是工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。這是重要的現(xiàn)代信息意識。

1850年，美國結(jié)束了完全照搬歐洲技術(shù)的歷史，走上工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新之路。

(1)從抓機(jī)械技術(shù)創(chuàng)新開始 美國地多人少，勞力不足，需要發(fā)展節(jié)約勞力的機(jī)械技術(shù)。當(dāng)時(shí)，英國對美國人引進(jìn)技術(shù)戒備森嚴(yán)（英國為了防止技術(shù)外流，議會作出保密的決定：參觀不準(zhǔn)記錄，技術(shù)工人不準(zhǔn)出國。美國人只好靠記憶建成第一個紡織廠。此事成為技術(shù)保密史上有名的故事。），這迫使美國人依靠自己力量發(fā)展機(jī)械技術(shù)。

創(chuàng)新始于E．惠特尼(1765—1825)發(fā)明軋棉機(jī)。這個發(fā)明使清除棉籽效率提高了1000倍，從而使美國超過印度，成為世界最大棉花出口國。美國利用出口棉花的外匯購置技術(shù)和工業(yè)品，產(chǎn)生良性循環(huán)。此發(fā)明大大地鼓舞了美國人。當(dāng)時(shí)美國總統(tǒng)寫信給惠特尼：“你的發(fā)明很重要，我要買一臺這種機(jī)器”。現(xiàn)在美國專利局大門上還刻著：“專利制度(技術(shù)發(fā)明)注入興趣這個燃料、使天才之火燃燒起來。”

(2)電力技術(shù)革命使美國后來者居上 大發(fā)明家愛迪生出現(xiàn)在美國不是偶然的。他的成長過程，是技術(shù)教育與技術(shù)創(chuàng)新結(jié)合形成生產(chǎn)力的過程。愛迪生和法拉第一樣，·也是受《百科全書》電學(xué)知識的啟蒙教育走上發(fā)明之路的。

愛迪生的發(fā)明，在美國興起一場電力技術(shù)革命（“毛主席說，蒸汽機(jī)的出現(xiàn)是一次技術(shù)革命，電力的出現(xiàn)是一次技術(shù)革命”。引自錢學(xué)森著《迎接新的技術(shù)革命》，湖南科技出版社，1984年。）。美國電力技術(shù)革命對美國經(jīng)濟(jì)的影響如同德國化工技術(shù)革命對德國工業(yè)化的影響一樣重要。

電力技術(shù)革命起源于歐洲，完成在美國。1866年，維·西門子發(fā)明電機(jī)后曾給他在倫敦的弟弟寫信：“電力技術(shù)很有發(fā)展前途，它將會開創(chuàng)一個新紀(jì)元。”后來事實(shí)證明了他的預(yù)見。繼西門子的電機(jī)之后，1876年貝爾(1847一l922)發(fā)明了電話，1879年愛迪生發(fā)明電燈，這三大發(fā)明照亮了人類實(shí)現(xiàn)電氣化的道路。

1882年，愛迪生建成世界上第一個發(fā)電廠，發(fā)電能力為900馬力，供7200個燈泡使用，完成了電力工業(yè)技術(shù)體系。幾乎同時(shí)，在歐美紛紛成立許多專業(yè)電氣公司，實(shí)現(xiàn)電力技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。1889年，金融大亨摩爾根參加了愛迪生的電氣公司，使美國的電氣化步伐加快了。愛迪生的一生，是美國從落后農(nóng)業(yè)國向工業(yè)國過渡、從全盤照搬歐洲技術(shù)到建立美國自己的技術(shù)體系的時(shí)代。愛迪生的奉獻(xiàn)使美國人驕傲，美國人稱他為“發(fā)明大王”、“一代英雄”。

(3)新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化需要有個過程 1879年，愛迪生發(fā)明了電燈，但并未引起社會廣泛注意，因?yàn)檩旊娂夹g(shù)沒過關(guān)。直流輸電耗損大，發(fā)電容量與輸電距離有限。1888年，愛迪生的助手持斯拉(1856—1943)和威斯汀豪斯(1846—1914)分別制成交流電動機(jī)和變壓器(由威斯汀豪斯公司經(jīng)辦)，與已經(jīng)發(fā)明的交流發(fā)電機(jī)相接，建成交流電傳輸系統(tǒng)。美國于1886年建成最早的交流發(fā)電廠并提供使用。

電力技術(shù)的成功，使美、歐、日紛紛把電力建設(shè)作為國家承建工程的重點(diǎn)。美、歐、日超大型電力系統(tǒng)、以電為中心的超大型

1.1.3電路理論的建立
電力裝置的設(shè)計(jì)或運(yùn)行都要進(jìn)行計(jì)算，以了解設(shè)備上所需的電壓、電流，線路上各處信號的衰減、延遲、失真等現(xiàn)象。這些問題有一個共同的特點(diǎn)，就是需要采用簡捷的方法，獲得所需要的定量結(jié)果。允許有一些近似，而且也不必重新研究發(fā)生的物理過程和細(xì)節(jié)。
1826年，G.S.歐姆提出的歐姆定律就是一個典型的理論，其定律形式：e＝IR或U＝IR形式十分簡單，所討論的問題限于電流I及電動勢e或電壓u，導(dǎo)體的作用只用一個參量R代表，就可以求出電流I，而不去討論電池或?qū)�體中發(fā)生的詳細(xì)物理過程。1832年J.亨利提出的電感系數(shù)L，也具有這樣的特點(diǎn)。他把線圈中發(fā)生的電磁感應(yīng)的復(fù)雜過程，用一個參數(shù)L表示，即磁通Φ＝Li，所以感應(yīng)電動勢為： U=Lie2 /2

在1778年，A.伏打就提出電容C的概念，導(dǎo)體上儲存電荷Q＝CU，而不必從整個靜電場去計(jì)算，即使在充放電過程中，也可以由i＝dq/dt＝Cdu/dt去分析電流與電壓的關(guān)系。當(dāng)然，RLC所代表的元件是理想的，各自反映了一種物理過程。但實(shí)際電氣元件的物理情況不難由RLC的適當(dāng)組合去近似地表示出來，這種組合人們稱之為“電路”。
電路是實(shí)際電氣器件的近似模型，反映了器件的主要性能。選定了等效的電路模型，進(jìn)一步的問題就是如何才能夠計(jì)算電路中各處的電壓和電流了。這些關(guān)系是德國科學(xué)家基爾霍夫(Gustav Robert Kirch-hoff 1824～1887)1845年提提出的。他在深入地研究了G.S.歐姆等人的工作之后，提出了電路中兩條基本定律：
(1)電流定律－匯集到電路的一個節(jié)點(diǎn)上的各電流，其代數(shù)和必為零。
(2)電壓定律－沿著電路中的一個閉合回路上，電動勢的代數(shù)和必須等于電壓的代數(shù)和。
這是根據(jù)能量守恒原理得到的推論，因?yàn)楦鞣N電源的作用已經(jīng)由電動勢代表，線圈上的電磁感應(yīng)也只由其端上的電壓、電流表示為u＝Ldi/dt，元件外部僅剩下電壓和電流了。根據(jù)這兩條定律，可以列出有關(guān)電壓和電流的方程，聯(lián)立求解就可以算出回路中的電壓和電流。
1847年，基爾霍夫繼續(xù)發(fā)表了一篇重要的論文，證明在復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)前面兩條定律所能列出的獨(dú)立方程的個數(shù)，恰好等于支路的個數(shù)。因此如果電路中各電源的電動勢及各元件的參數(shù)已知，則列出的獨(dú)立方程能求解各支路電流。
按照實(shí)際器件建立電路模型，是重要的創(chuàng)造性的工作。英國W.湯姆遜就是這方面杰出的代表。1853年他采用RLC串聯(lián)的電路模型，分析了充有電荷的萊頓瓶放電過程，得出了過程中電流有往復(fù)振蕩和逐漸衰減的性質(zhì)，并計(jì)算出振蕩頻率與RLC參數(shù)的關(guān)系。他又在1855年采用電容與電阻的梯形電路，代表電纜上傳送信號的過程，得出了電報(bào)信號經(jīng)過長距離傳送所產(chǎn)生的衰減、延遲、失真等現(xiàn)象。1857年G.R.基爾霍夫研究了架空線路與電纜的差異，認(rèn)識到架空線上的自感系數(shù)不能忽略，從而得出了完整的傳輸線的電壓及電流方程式，人們稱之為基爾霍夫方程。電路理論就這樣建立起來了。
電路理論至今仍然是我們進(jìn)行建筑供電設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，沒有純熟的電路計(jì)算知識，在供電設(shè)計(jì)中會遇到相當(dāng)大的困難。

1.1.4交流電的采用及理論的進(jìn)展
19世紀(jì)80年代初，電機(jī)在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)較為完備，進(jìn)一步改善的需要促進(jìn)了理論的研究。因?yàn)殡娫粗挥须姵靥峁┑闹绷麟姡��?dāng)時(shí)大多數(shù)的電機(jī)仍然是直流的，供給電解、電鍍等用途的發(fā)電機(jī)也必須是直流的。根據(jù)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的交流電，要由電機(jī)上的換向器變?yōu)橹绷鞑拍軕?yīng)用。
最早較大規(guī)模使用交流電，是1876年在電力照明中的應(yīng)用。俄國H.雅布羅奇可夫?yàn)檎彰鹘�立的發(fā)電廠，發(fā)送的就是交流電。1883年英國高拉德(L.Golard 1850～1888)和吉布斯(I.Dickson Gibbs)制成具有分接頭和幾個繞組的變壓器，用改變接線的方法變換所需的電壓，仍然用的是開放式磁路。這種變壓器在英國倫敦博覽會上展出，每臺容量達(dá)到5kVA。1885年，匈牙利工程師麥克斯韋(MaxWeri1851～1934)研制出采用閉合式磁路的干式變壓器，效率更大為提高，并取得德國的專利。
交流電的另一個特點(diǎn)是由靜止的線圈可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。對后來的電機(jī)發(fā)生了重大的影響。意大利科學(xué)家費(fèi)拉伊(GalileoFerrais1847～1897)1888年春在都靈科學(xué)院報(bào)告，他于1885年發(fā)現(xiàn)用不同相位的交流電通向幾個靜止的線圈，可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。幾乎同時(shí)，美籍南斯拉夫裔工程師特斯拉(NicolaTeslal1856～1943)在美國也報(bào)道發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場，并在1882年制成了沒有滑環(huán)的交流電動機(jī)。
1888年秋，俄國年青的工程師多里沃－多布羅夫斯基(1862～1919)注意在電機(jī)的動態(tài)制動實(shí)驗(yàn)中，如果將電動機(jī)的電樞線圈短接，會產(chǎn)生很強(qiáng)的制動作用。由此他很快體會到如果減少電樞上線圈的電阻，使感應(yīng)電流增大，不是用來制動，而是隨著旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)，就可以提供一定的力矩。根據(jù)這種設(shè)想，他在鐵柱中穿過銅條，并在端部短接做為轉(zhuǎn)子，放在旋轉(zhuǎn)磁場中制成鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)。
這種電動機(jī)不需要向轉(zhuǎn)子引入勵磁電流，從而免除了滑動觸環(huán)，構(gòu)造簡單堅(jiān)固，成本低廉，運(yùn)行平穩(wěn)，直到現(xiàn)在仍被廣泛采用為動力來源。他又將二相改為三相，使電機(jī)圓周上的空間可以充分利用。三相的交流電，各自的相位互差120電度，這樣的三個正弦式大小相等的電流相加，恰好等于零。換句話說，供給三個線圈三相電流，不需要用六根導(dǎo)線，只要將線圈的另一端接到一起成為中點(diǎn)，這樣僅需要三根導(dǎo)線就可以了。1889年他制成了功率為100W的電動機(jī)，1891年制成的電動機(jī)達(dá)3.7kW。
多里沃－多布羅夫斯基還制成了三相變壓器。他提出幾種構(gòu)造都是可行的，包括鐵芯為殼式、芯式、或日字形。
人們發(fā)現(xiàn)交流電機(jī)中能量損失的測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相差很多。英國愛文(J.A.Ewing)指出這可能是由于磁滯損失未考慮在內(nèi)的原因。德裔美國人司坦麥茲(Charles Proteus Steinmetz 1865～1923)給出了計(jì)算磁滯損失的經(jīng)驗(yàn)公式，即損失正比于磁通密度B的1.6～2次方，按材料而采用不同的方式。這個公式很有效，一直應(yīng)用到現(xiàn)在。
交流電的使用，促進(jìn)了交流電路理論的發(fā)展。交流電路與直流電路有很大差別，不僅電動勢及電流是隨時(shí)間有正負(fù)交互的變化，而且電路中不僅有電阻的作用，還必須考慮電感和電容的影響。早在1847年，Y.X楞次就發(fā)現(xiàn)了線圈中通過交變電流時(shí)，它與電動勢的變化相位上不一致。1877年，II.H.雅布羅奇可夫觀察到電容上交流電壓也與電流的相位不同。19世紀(jì)80年代J.C.麥克斯韋曾提出過電路中交流的全阻抗表示。卡普(KingsburgKapp1852～1922)在1887年推出了計(jì)算變壓器產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E平均值的公式：
E＝4.44wfΦ10-8
式中f為頻率，W為匝數(shù)，Φ為磁通量。根據(jù)這個式子可確定變壓器中磁通與磁化電流的關(guān)系。M.O.多里沃－多布羅夫斯基發(fā)展了卡普的理論。1891年他在法蘭克福電工學(xué)術(shù)會議上提出了關(guān)于交流電理論的報(bào)告：“磁通是決定于所加電壓的大小，而不是決定于磁阻。而磁阻的變化只影響磁化電流的大小。如果磁通的變化是正弦式的，則電動勢或電壓也是正弦式的，但二者相位差90度。”他又將磁化電流分成兩個分量，即“有功分量”與“磁化分量”。他提出交流電的基本波形為正弦式，將線圈中電流分為兩個分量等都為后來所沿用。
交流電路計(jì)算方法中一個重要進(jìn)展，是C.P.司坦麥茲的復(fù)數(shù)符號法。他利用數(shù)學(xué)中的第莫威定理，用復(fù)數(shù)代表正弦量的大小和相位。在給定的頻率下，三角函數(shù)的運(yùn)算就簡化為復(fù)數(shù)的代數(shù)運(yùn)算了。他又根據(jù)瑞士數(shù)學(xué)家阿根德(JeanRobert Argand1768～1813)在1806年所提出的用矢量表示復(fù)數(shù)，則又可以用平面上的矢量代表交流電的大小和相位，所以可稱之為“相量”。相量概念因其直觀性易懂，成為分析交流電的有力工具。

1.1.5發(fā)電廠和電力傳輸
1.發(fā)展
早期的工業(yè)生產(chǎn)，除人力之外只有以畜力、風(fēng)力或水力作為動力。蒸汽機(jī)的發(fā)明，解決了動力來源的問題，最終導(dǎo)致了產(chǎn)業(yè)革命，生產(chǎn)力得到了巨大發(fā)展。但由每個需要動力的工廠必需安裝鍋爐、蒸汽機(jī)、笨重的皮帶輪軸傳動裝置，還需要自己解決燃料來源及運(yùn)輸?shù)葐栴}，仍然很不方便。
電機(jī)的進(jìn)步和交流電的應(yīng)用，改變了這種狀況。只要有人集中建造發(fā)電廠，或者利用水力，或者統(tǒng)一解決燃料問題，再用導(dǎo)線就可以將電能送到各個工廠或千家萬戶。對每個用戶來說，只要具有電動機(jī)，就成為動力來源了。這就為工業(yè)的高速發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。電氣化的時(shí)代到來了。
1879年美國在舊金山建成實(shí)驗(yàn)電廠向用戶出售電能。我國也在這一年于上海建成了一臺7.5kW電機(jī)的發(fā)電廠，主要是供照明用戶之用。英國霍爾本電廠、俄國彼德堡電廠也先后建成。
從發(fā)電廠向用戶輸送電能的問題，早在1873年法國佛泰因(Epolit Fontine)在維也納國際博覽會上用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)，輸電到1km以外處的電動機(jī)成功地驅(qū)動了一臺水泵。1874年，俄國的皮羅茨基(1845～1898)進(jìn)行了直流輸電的試驗(yàn)，并申請了專利。1880年在俄國《電》雜志的創(chuàng)刊號上發(fā)表了Π.A.拉契諾夫的論文，文中提出：當(dāng)傳輸?shù)碾娔茉黾踊蚓嚯x加長時(shí)必須升高電壓。1881年，這個雜志又發(fā)表了M.德普列(MercelDeprez1843～1918)長距離的電力傳輸?shù)恼撐模�也提出了相同的結(jié)論。1882年他在法國建造了57公里的輸電線路，將密士巴赫水電站的電能輸送到巴黎展覽會現(xiàn)場。該系統(tǒng)傳輸功率為3kW，始端電壓為1413V，終端電壓為850V，所用導(dǎo)線為4.5mm2，線路損失為總能量的78％。
電力系統(tǒng)發(fā)展過程中出現(xiàn)過使用直流電還是交流電的爭論。爭論開始于某些著名的人，包括美國的T.A.愛迪生和英國的W.湯姆遜都是反對使用交流電的，理由是交流電不安全，當(dāng)然這也是了解不夠的原故。隨著電力傳輸?shù)陌l(fā)展，交流電可以用變壓器很方便地提高或降低電壓，同時(shí)交流電機(jī)制造方便成本低廉，不會產(chǎn)生換向器故障等，這些優(yōu)點(diǎn)終于被多數(shù)人承認(rèn)，爭論才逐漸平息了。
1888年，M.O.多里沃－多布羅夫斯基創(chuàng)立交流電的三相制，在1991年建成由法國勞奮水電站至德國法蘭克福的三相交流高電壓輸電線路。在始端采用了90/15200V的升壓變壓器，在終端建有兩座變電所將電壓降低，輸電效率已達(dá)到80％以上，經(jīng)濟(jì)效益比較顯著，此后的交流輸電就大都采用三相制了。
英國商人于1882年在上海開辦了上海電光公司，建發(fā)電廠功率為12kW。1888年兩廣總督張之洞批準(zhǔn)華僑黃秉常在總督衙門近旁建成電廠，供給總督衙門及一些居民照明用電。美國在1882年僅有發(fā)電廠3座，至1902年電廠已達(dá)3621座，發(fā)展十分迅速。歐洲各國興建電廠數(shù)目也迅速增加，電力工業(yè)已經(jīng)成為重要的產(chǎn)業(yè)部門了。

2.斷路器
隨著發(fā)電廠的建立，需要有通、斷大電流且耐受高壓的斷路器設(shè)備。20年代最簡單的斷路器是金屬棒與盛有水銀的容器。接通時(shí)就是將金屬棒插入水銀中，斷開時(shí)將棒提起。這種開關(guān)比較笨重，價(jià)錢也很貴，使用時(shí)要操動幾次才能保證接觸良好。這迫使人們尋求更好的辦法。
除了在接通后開關(guān)觸點(diǎn)要接觸良好之外，隨著功率和電流的增大，斷路器斷開時(shí)產(chǎn)生的火花就成為電弧了。電弧的高溫可以使觸點(diǎn)燒環(huán)，甚至熔化，造成傷人或火災(zāi)。因此必須設(shè)法使電弧及早熄滅，使電路的分?jǐn)喑晒Α?
1893年，在美國芝加哥的世界博覽會上，M.O.多里沃－多布羅夫斯基展出了他設(shè)計(jì)的斷路器，這個斷路器還有過載時(shí)自動切斷保護(hù)發(fā)電機(jī)的作用。可動的觸頭為厚的刀形銅片，片上有一根彈簧拉伸，同時(shí)有一個橫擔(dān)將銅刀鎖住。這一過程由一個電磁鐵控制，運(yùn)行電流通過電磁鐵的線圈，當(dāng)電流超過了預(yù)先調(diào)定的限度時(shí)，電磁鐵吸動將鎖釋放，銅刀就被彈簧的力量拉出，使電路斷開，對發(fā)電機(jī)起保護(hù)作用。電弧在空氣中運(yùn)動而自然熄滅。自然熄弧的空氣斷路器，當(dāng)時(shí)能承受的的電壓約為15kV，電流不超過300A。1897年，英國工程師布朗(Charles Eugene Lancelot Brown 1863～1924)取得羊角形觸頭的斷路器專利。羊角形放電間隙原來是用作架空線防雷之用，電弧產(chǎn)生后沿角形導(dǎo)體向上運(yùn)動，使距離逐漸拉長而熄滅。
1895年，英國費(fèi)朗梯(Shebas-tianZianideFerranti1864～1930年)取得油斷路器專利，安裝于迪波福特電站。油斷路器是當(dāng)觸頭分開時(shí)，使一個觸頭迅速浸入充滿油的筒體內(nèi)，以油隔斷電弧通路使之熄滅。初想起來，油是易燃物，電弧又有高溫，用油滅弧似乎是異想天開。但實(shí)際上只要觸頭動作足夠快，不等到熱量聚累，筒內(nèi)缺少助燃的空氣，油又是絕緣物，所以反而起了滅弧作用。

3.電力傳輸
電力傳輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展，表現(xiàn)在電壓等級的不斷提高。1906年發(fā)明了懸垂式絕緣子，它比針式絕緣子耐受的電壓可以提高很多倍，而且機(jī)械強(qiáng)度也大為增加，可以承擔(dān)更粗重的導(dǎo)線。分裂導(dǎo)線的發(fā)明使高壓導(dǎo)線上的電暈損失減少。高壓斷路器亦出現(xiàn)多種類型，特別是滅弧技術(shù)不斷改進(jìn)。由自然熄弧發(fā)展為磁吹、油吹、高壓空氣吹弧等方法增強(qiáng)了斷路器的分?jǐn)嗄芰ΑＨ藗冇盅兄屏肆�氟化硫氣體密封式高壓電器及輸電管道。這些技術(shù)使高電壓及超高電壓的大功率遠(yuǎn)程輸電線路成為可能。
我國在70年代建成了西北的330kV線路，80年代又建成了東北、華中、華北的500kV輸電線，并且還在迅猛發(fā)展之中。1908年美國開始出現(xiàn)110kV輸電線路，到1922年又建成150kV線路。1923年再將輸電電壓提高到220kV。這以后歐洲許多國家也都建成220kV線路。20世紀(jì)30年代之后，輸電電壓再次提高。1936年美國建成287kW輸電線。1959年蘇聯(lián)建成500kV輸電線。

4.電力系統(tǒng)
隨著電能的應(yīng)用日益廣泛，電力的需求不斷增長形成了電力系統(tǒng)。因?yàn)殡娔芄��?yīng)有一個特點(diǎn)：發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能必須與消耗的電能相等。人們目前還不能在工業(yè)規(guī)模上對大量電能進(jìn)行儲存。然而用戶的用電卻隨著季節(jié)、日月、晝夜而不同。高峰時(shí)的負(fù)荷與平均數(shù)相差很大。因此，早期的那種單臺發(fā)電機(jī)的供電方式就無法適應(yīng)了，大發(fā)電機(jī)成本太高，輕載運(yùn)行時(shí)效率又太低，供電的安全也差，因雷電、設(shè)備故障、開關(guān)操作所引起的過電壓是不可能完全避免的。為此，通常采用多臺機(jī)組，多個發(fā)電站，包括水力及火力電廠，用輸電線聯(lián)結(jié)成網(wǎng)，負(fù)荷上能互相支援，故障中有多路供電，形成了由眾多發(fā)電站、輸電線、變電所、配電網(wǎng)及廣大用戶組成的電力系統(tǒng)，使電能的供應(yīng)上更為經(jīng)濟(jì)高效，安全可靠。
電力系統(tǒng)中為了減小事故造成的損失，保護(hù)人身及設(shè)備的安全，必須有保護(hù)的設(shè)施。最早的保護(hù)設(shè)備只是簡單的熔斷器、避雷器、斷路器等。隨著機(jī)組的加大和電壓等級的提高，陸續(xù)研制出各種繼電器及量測設(shè)備組成保護(hù)電路，“繼電保護(hù)”已經(jīng)發(fā)展成為電廠中的一種專門技術(shù)了。除了事故處理之外，系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，仍然需要進(jìn)行一些調(diào)度工作，使系統(tǒng)的總體效率提高。這些方面已經(jīng)進(jìn)行了很多研究：例如電能的潮流分布、短路電流的計(jì)算、靜態(tài)及動態(tài)穩(wěn)定性判定、過電壓分析等，又如勵磁調(diào)節(jié)技術(shù)、無功功率的補(bǔ)償、水電火電的配合、抽水蓄能方法、調(diào)峰技術(shù)等等，積累了很多經(jīng)驗(yàn)。但是，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中牽涉的環(huán)節(jié)太多，出現(xiàn)的情況千變?nèi)f化，直到現(xiàn)在人們的技術(shù)水平還不能完全適應(yīng)需要，包括歐美工業(yè)很先進(jìn)的國家，也一再出現(xiàn)電力系統(tǒng)失控，造成大面積停電。每次故障的損失常以多少億元計(jì)算。對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究正在進(jìn)一步發(fā)展中。

當(dāng)今世界電氣化、自動化技術(shù)發(fā)展十分迅速，中國電力事業(yè)的發(fā)展更是舉世矚目。目前已有核電站兩座，1991年12月并網(wǎng)發(fā)電，1992年7月進(jìn)入高功率試運(yùn)行的秦山300MW核電站，1993年8月31日21點(diǎn)26分大亞灣核電站一號機(jī)組450MW并網(wǎng)發(fā)電成功(大亞灣共900MW)。核能發(fā)電是一種新型能源，它不僅能量大，而且資源豐富，根據(jù)已經(jīng)勘探到的鈾礦和釷礦資源，按蘊(yùn)藏量的能量計(jì)算，相當(dāng)于地殼中有機(jī)燃料能量的20倍。
到1992年底，全世界就已經(jīng)有核電站424座，凈發(fā)電容量350，000MW，占全世界總發(fā)電量的20％。其中美國核發(fā)電最多，有100，000MW；法國53，000MW，占全國發(fā)電量的70％。

第五篇信息篇
26有線通信系統(tǒng)
有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)是進(jìn)行電子通信的兩種手段，它們都是利用電子技術(shù)來傳送語言、文字、圖象或其他信息的各種通信方式總體。電子通信的具體任務(wù)應(yīng)該是使任何兩地的用戶，不受距離的限制，能夠進(jìn)行良好的信息傳遞。為了能夠完成這個任務(wù)，要求有相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)。任何建筑內(nèi)的電話都能通過市話中繼線又可以連接全國乃至全世界的電話網(wǎng)絡(luò)。
我國信息產(chǎn)業(yè)部(原郵電部)是通信業(yè)務(wù)的主管部門，各類建筑內(nèi)的通信設(shè)施，在技術(shù)上應(yīng)接收其領(lǐng)導(dǎo)，施工方面也要接收它的監(jiān)督。信息產(chǎn)業(yè)部所頒布的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是我們從事建筑供電設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。

26.1通信系統(tǒng)概述
26.1.1電報(bào)的發(fā)明
通信是人們交際的要求，隨著商品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這種要求越來越迫切了。在18世紀(jì)中期就有人嘗試用電進(jìn)行通信。1753年摩立遜(Morrison)和1774年勒沙格(Lesage)都曾有多根導(dǎo)線在一端用靜電起電機(jī)供電，使另一端吸動紙片或出現(xiàn)火花以傳遞信息。不過傳送的距離太短了。當(dāng)伏打電堆發(fā)明以后，西班牙工程師薩爾瓦(DonFransiscoSalva1751～1828)又嘗試用導(dǎo)線傳送電流到另一端使水分解，以氣泡的有無為信號。1809年德國索莫林(ThomasSommering1755～1830)進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，仍需用20多條導(dǎo)線，而且速度太慢。在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流生磁之后，安培首先提出可以利用電流使磁針擺動以傳遞信息。1829年俄國希林格(1786～1837)制成用磁針顯示的電報(bào)機(jī)，用6根線傳送信號，一根線傳送開始時(shí)的呼叫，還有一根供電流返回的公共導(dǎo)線。6個磁針指示的組合表達(dá)不同的信息。
在這一段時(shí)間內(nèi)，有不少著名的科學(xué)家也都研究過電報(bào)通信。例如德國的大數(shù)學(xué)家C.F.高斯，物理學(xué)家韋伯(Wilhelm Eduard Weber1840～1891)(他的名字命名為磁通單位)，法國的布列奎(Fransis Cleman Brequet 1804～1883)等人，但是他們的電報(bào)機(jī)都難于滿足實(shí)用的要求。
最早實(shí)用的電報(bào)機(jī)是1837年英國的科克(William Cooke 1806～1879)和惠司通(Charles Wheat stone 1802～1877)制成的雙針電報(bào)機(jī)，并實(shí)際應(yīng)用在利物浦的鐵路線上為火車的運(yùn)行服務(wù)。俄國的雅可比(1801～1874)發(fā)明了電磁式電報(bào)記錄儀，改變由人直接觀察磁針擺動的接收方式，增加了收報(bào)的可靠性。但這些電報(bào)機(jī)有一個共同的致命弱點(diǎn)：都只能傳送電流的“有”或“無”兩個信息，如果用多根導(dǎo)線不僅太復(fù)雜了，而且線路的成本也太高，難于應(yīng)用。
莫爾斯(SamuelFinleyBreeseMorse)對電報(bào)通信的貢獻(xiàn)，莫爾斯原來是一個畫家。在從法國到紐約的旅途中，在郵船“薩麗”號上，他聽了一位醫(yī)生向旅伴們介紹奧斯特電流生磁和安培關(guān)于電報(bào)的設(shè)想的講演，發(fā)生了很大興趣，下決心研究電報(bào)。下船時(shí)，他對船長說：“先生，不久你就可以見到神奇的‘電報(bào)’啦，請記住，它是在您的‘薩麗’號上發(fā)明的！”
事情遠(yuǎn)不如想象的那樣簡單，畫家必須對電學(xué)從頭學(xué)起，他刻苦自學(xué)，還逐一分析了已有電報(bào)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。三年過去了，還一無所成。積蓄用完了，只能還從事繪畫維持生活，用業(yè)余時(shí)間研究電報(bào)。他終于抓住了關(guān)鍵所在，即怎樣才能夠傳送復(fù)雜信息的問題。
他考慮到有電流是一種符號，有電流的時(shí)間長一些是另一種符號，沒有電流也是一種符號，把它們組合起來，可以構(gòu)成數(shù)字和字母，復(fù)雜的內(nèi)容就能夠通過導(dǎo)線傳送了。他規(guī)定了點(diǎn)劃組合所代表的字母，這就是著名的莫爾斯電碼，直到現(xiàn)在人們還在使用。在1837年，收、發(fā)電碼的電報(bào)機(jī)終于誕生了。
莫爾斯申請了專利，并為理想將要實(shí)現(xiàn)而高興。他帶著電報(bào)機(jī)四處奔走，企圖說服企業(yè)家進(jìn)行投資，而得到的回答不是冷淡就是譏笑。他的機(jī)器確實(shí)也比較粗糙，傳遞信息的距離不過十幾米遠(yuǎn)。不過這些沒有使他喪失信心。他忍饑挨餓不斷改進(jìn)自己的機(jī)器。這時(shí)有一個青年機(jī)械師蓋爾自愿做他的助手，他們反復(fù)試驗(yàn)，通過增加電池組、加大電磁鐵的線匝，使通信距離逐漸增大。他們完成最后的試驗(yàn)時(shí)，已經(jīng)是第一臺機(jī)器誕生四年之后了。
他帶著改進(jìn)后的電報(bào)機(jī)，離開紐約去年盛頓，說服了幾位議員向國會提出一個議案：撥款3萬美元在華盛頓與巴爾的摩64km之間建立一條實(shí)驗(yàn)性電報(bào)線路。不料國會經(jīng)過激烈辯論，議案沒有通過。莫爾斯傷心地回到紐約時(shí)，口袋里只剩下幾十美分了。此后一年里他貧病交加，實(shí)驗(yàn)中斷了，重新拿起畫筆但筆墨生疏，作品也賣不出去，看來他處于絕境之中。
通信技術(shù)的進(jìn)步是生產(chǎn)發(fā)展中的社會需要。一天，他突然收到參議院的通知，國會重新討論了修建電報(bào)線路的撥款提案，終于獲得通過。1844年，世界上第一條商用電報(bào)線路建成并正式通報(bào)了。
莫爾斯的電碼和電報(bào)機(jī)，以其實(shí)用性陸續(xù)地被歐洲各國采用，各地的電報(bào)線路也不斷增加和擴(kuò)建。1850年建成連接英國和法國的多弗爾海峽的海底電纜，1852年倫敦和巴黎間實(shí)現(xiàn)直接通報(bào)。1855年建成地中海到黑海的海底電纜，完成了英、法、意直到土耳其的電報(bào)通信線路