电气技术的历史 [转载]

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转载自  网易电气
转载自《建筑电气设计与施工》唐海著，建筑工业出版社
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1.1电气技术的发展
1.1.1电磁现象
5 E; j; |5 a, S, @- b9 U% r  M( D/ V! g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。
& k1 u# T( l- H7 y, U* i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。
( M9 r+ K: v; H4 ]0 `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。
) f' ^0 o. J) X8 x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干的事情，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。

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1.1.2电力照明的发展
0 L/ M# O) {: A1802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。
! I8 A3 P! t7 n3 U1840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。
/ r1 V8 p' W3 Y6 D: m# _6 v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。

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世界第四次生产力高潮——电力技术革命

世界第四次生产力高潮，也是第四次科学技术中心的转移，大致发生在中国清朝光绪到中华民国这段时间，即世界兴起电力技术革命的1879年到l 930年。这个时期，世界科学技术中心由欧洲转移到美国，美国实现了工业化，成为世界第一经济强国。
0 p- N8 v7 f; V* y' |7 G5 ^1． 学会“站在巨人肩膀上”
: X6 P+ j/ E* H7 }4 A, m* R就在英国发动产业革命的时候，大批英国失业工人来到美国。1848—1849年欧洲革命失败后，又有大批法国人、德国人、奥地利人，以及意大利人、俄罗斯人移居美国（1860年，160万欧洲移民进入美国，1875年达到260万，其中包括工人和知识分子，他们把欧洲的科学技术带到美国。后来成为欧美天然的信息渠道。）这成为美国引进技术、发展工业和扫除南方封建奴隶势力的突击力量。
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5 W# ?' o% n6 Y" O( D6 _7 o0 z南北战争结束，美国发动—厂产业革命，继承英、德实现工业化的经验，发展一批先导产业。
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(1)铁路电讯先行 1865年结束南北战争之后，美国即发展铁路和电讯。1869年，建成横贯东西的大铁路，使西部资源与东部工业结合起来，加快了工业化的速度。同时，在大西洋铺设海底电缆，保证了欧美两大陆信息畅通，结束了美国孤立于欧洲之外的境遇，对欧美贸易产生巨大影响。
, ?+ p% R' |+ y) t0 J' {0 x5 x(2)重视信息利用由于血缘关系，欧美的信息交流十分频繁，L欧洲任何新技术动向都能在美国得到反映，其反映速度之快。往往超过欧洲邻国。1745年，荷兰人发明蓄电池，第二年美国人富兰克林(1706—1790)就进行天电传蓄的“费城实验”。18帕年，英国人刚把蒸汽机装到火车上，运行尚未成功，美国人R．富尔顿 (1765—1815)就发明了蒸汽机轮船（英国火车到1814年才试车使用。当时有人建议拿破仑使用轮船作战，拿破仑拒绝了，否则将对战争产生重要影响。）。欧洲人发明DDT，还没试产，美国人已进入大规模生产阶段，使马铃薯产量当年翻番。

1837年英国发明电报，第二年美国就推广使用。今天，技术信息速度就是工业经济发展速度。这是重要的现代信息意识。
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1850年，美国结束了完全照搬欧洲技术的历史，走上工业技术创新之路。

(1)从抓机械技术创新开始美国地多人少，劳力不足，需要发展节约劳力的机械技术。当时，英国对美国人引进技术戒备森严（英国为了防止技术外流，议会作出保密的决定：参观不准记录，技术工人不准出国。美国人只好靠记忆建成第一个纺织厂。此事成为技术保密史上有名的故事。），这迫使美国人依靠自己力量发展机械技术。

: U5 E! c# I8 e8 C. _创新始于E．惠特尼(1765—1825)发明轧棉机。这个发明使清除棉籽效率提高了1000倍，从而使美国超过印度，成为世界最大棉花出口国。美国利用出口棉花的外汇购置技术和工业品，产生良性循环。此发明大大地鼓舞了美国人。当时美国总统写信给惠特尼：“你的发明很重要，我要买一台这种机器”。现在美国专利局大门上还刻着：“专利制度(技术发明)注入兴趣这个燃料、使天才之火燃烧起来。”
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# s/ D' ?. J. w8 o(2)电力技术革命使美国后来者居上 大发明家爱迪生出现在美国不是偶然的。他的成长过程，是技术教育与技术创新结合形成生产力的过程。爱迪生和法拉第一样，·也是受《百科全书》电学知识的启蒙教育走上发明之路的。

爱迪生的发明，在美国兴起一场电力技术革命（“毛主席说，蒸汽机的出现是一次技术革命，电力的出现是一次技术革命”。引自钱学森著《迎接新的技术革命》，湖南科技出版社，1984年。）。美国电力技术革命对美国经济的影响如同德国化工技术革命对德国工业化的影响一样重要。

电力技术革命起源于欧洲，完成在美国。1866年，维·西门子发明电机后曾给他在伦敦的弟弟写信：“电力技术很有发展前途，它将会开创一个新纪元。”后来事实证明了他的预见。继西门子的电机之后，1876年贝尔(1847一l922)发明了电话，1879年爱迪生发明电灯，这三大发明照亮了人类实现电气化的道路。

1882年，爱迪生建成世界上第一个发电厂，发电能力为900马力，供7200个灯泡使用，完成了电力工业技术体系。几乎同时，在欧美纷纷成立许多专业电气公司，实现电力技术产业化。1889年，金融大亨摩尔根参加了爱迪生的电气公司，使美国的电气化步伐加快了。爱迪生的一生，是美国从落后农业国向工业国过渡、从全盘照搬欧洲技术到建立美国自己的技术体系的时代。爱迪生的奉献使美国人骄傲，美国人称他为“发明大王”、“一代英雄”。
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(3)新技术产业化需要有个过程 1879年，爱迪生发明了电灯，但并未引起社会广泛注意，因为输电技术没过关。直流输电耗损大，发电容量与输电距离有限。1888年，爱迪生的助手持斯拉 (1856—1943)和威斯汀豪斯(1846—1914)分别制成交流电动机和变压器(由威斯汀豪斯公司经办)，与已经发明的交流发电机相接，建成交流电传输系统。美国于1886年建成最早的交流发电厂并提供使用。
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0 ^2 G  w8 A7 H电力技术的成功，使美、欧、日纷纷把电力建设作为国家承建工程的重点。美、欧、日超大型电力系统、以电为中心的超大型...

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1.1.3电路理论的建立
' D  X7 b( b: U' S1 L) d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。
8 a( R3 u2 e' D: @$ T5 R3 O1826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：
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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：
0 e" M. `7 L4 s(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。
. e' c2 c$ K1 U) O9 z) t(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。
* c! C1 H3 M+ A6 e1847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。
1 X% ]2 l; i# n3 q% C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。

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1.1.4交流电的采用及理论的进展
19世纪80年代初，电机在结构上已经较为完备，进一步改善的需要促进了理论的研究。因为电源只有电池提供的直流电，当时大多数的电机仍然是直流的，供给电解、电镀等用途的发电机也必须是直流的。根据电磁感应产生的交流电，要由电机上的换向器变为直流才能应用。
最早较大规模使用交流电，是1876年在电力照明中的应用。俄国H.雅布罗奇可夫为照明建立的发电厂，发送的就是交流电。1883年英国高拉德 (L.Golard 1850～1888)和吉布斯(I.Dickson Gibbs)制成具有分接头和几个绕组的变压器，用改变接线的方法变换所需的电压，仍然用的是开放式磁路。这种变压器在英国伦敦博览会上展出，每台容量达到5kVA。1885年，匈牙利工程师麦克斯韦(MaxWeri1851～1934)研制出采用闭合式磁路的干式变压器，效率更大为提高，并取得德国的专利。
- j9 P, `. x8 L0 ?交流电的另一个特点是由静止的线圈可以产生旋转的磁场。对后来的电机发生了重大的影响。意大利科学家费拉伊 (GalileoFerrais1847～1897)1888年春在都灵科学院报告，他于1885年发现用不同相位的交流电通向几个静止的线圈，可以产生旋转磁场。几乎同时，美籍南斯拉夫裔工程师特斯拉(NicolaTeslal1856～1943)在美国也报道发现了旋转磁场，并在1882年制成了没有滑环的交流电动机。
1888年秋，俄国年青的工程师多里沃－多布罗夫斯基(1862～1919)注意在电机的动态制动实验中，如果将电动机的电枢线圈短接，会产生很强的制动作用。由此他很快体会到如果减少电枢上线圈的电阻，使感应电流增大，不是用来制动，而是随着旋转磁场旋转，就可以提供一定的力矩。根据这种设想，他在铁柱中穿过铜条，并在端部短接做为转子，放在旋转磁场中制成鼠笼式感应电动机。
* G1 `/ g, c6 n' A5 H3 z4 C( S这种电动机不需要向转子引入励磁电流，从而免除了滑动触环，构造简单坚固，成本低廉，运行平稳，直到现在仍被广泛采用为动力来源。他又将二相改为三相，使电机圆周上的空间可以充分利用。三相的交流电，各自的相位互差120电度，这样的三个正弦式大小相等的电流相加，恰好等于零。换句话说，供给三个线圈三相电流，不需要用六根导线，只要将线圈的另一端接到一起成为中点，这样仅需要三根导线就可以了。1889年他制成了功率为100W的电动机， 1891年制成的电动机达3.7kW。
多里沃－多布罗夫斯基还制成了三相变压器。他提出几种构造都是可行的，包括铁芯为壳式、芯式、或日字形。
2 @% k  c" c$ d0 d9 Y人们发现交流电机中能量损失的测量结果与计算结果相差很多。英国爱文(J.A.Ewing)指出这可能是由于磁滞损失未考虑在内的原因。德裔美国人司坦麦兹(Charles Proteus Steinmetz 1865～1923)给出了计算磁滞损失的经验公式，即损失正比于磁通密度B的1.6～2次方，按材料而采用不同的方式。这个公式很有效，一直应用到现在。
' H! |7 w* w/ T( j; J+ D+ ?交流电的使用，促进了交流电路理论的发展。交流电路与直流电路有很大差别，不仅电动势及电流是随时间有正负交互的变化，而且电路中不仅有电阻的作用，还必须考虑电感和电容的影响。早在1847年，Y.X楞次就发现了线圈中通过交变电流时，它与电动势的变化相位上不一致。1877年，II.H.雅布罗奇可夫观察到电容上交流电压也与电流的相位不同。19世纪80年代J.C.麦克斯韦曾提出过电路中交流的全阻抗表示。卡普 (KingsburgKapp1852～1922)在1887年推出了计算变压器产生的感应电动势E平均值的公式：
2 W6 G1 ^( y" _% GE＝4.44wfΦ10-8
1 R/ ^# C. w& ]( R/ S/ D式中f为频率，W为匝数，Φ为磁通量。根据这个式子可确定变压器中磁通与磁化电流的关系。M.O.多里沃－多布罗夫斯基发展了卡普的理论。 1891年他在法兰克福电工学术会议上提出了关于交流电理论的报告：“磁通是决定于所加电压的大小，而不是决定于磁阻。而磁阻的变化只影响磁化电流的大小。如果磁通的变化是正弦式的，则电动势或电压也是正弦式的，但二者相位差90度。”他又将磁化电流分成两个分量，即“有功分量”与“磁化分量”。他提出交流电的基本波形为正弦式，将线圈中电流分为两个分量等都为后来所沿用。
交流电路计算方法中一个重要进展，是C.P.司坦麦兹的复数符号法。他利用数学中的第莫威定理，用复数代表正弦量的大小和相位。在给定的频率下，三角函数的运算就简化为复数的代数运算了。他又根据瑞士数学家阿根德(JeanRobert Argand1768～1813)在1806年所提出的用矢量表示复数，则又可以用平面上的矢量代表交流电的大小和相位，所以可称之为“相量”。相量概念因其直观性易懂，成为分析交流电的有力工具。

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1.1.5发电厂和电力传输
$ Y: }5 @9 u# H; X( B- O1.发展
* d$ {; R) ?2 c  N* u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。
3 r. {+ v0 a* s( Q6 B- K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。
/ ^3 j. D( }8 C1879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％。
1 U; I3 W- \* F( H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。
7 J: l# }3 v( ^7 g9 t, ^" T1888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。

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2.断路器
' E' ^5 E, s0 W4 C4 i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。
, H. j# }$ u2 o: U# t1895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。

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3.电力传输
" f( H, n8 k* V8 G# Z$ ]; b4 r) d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。

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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，大发电机成本太高，轻载运行时效率又太低，供电的安全也差，因雷电、设备故障、开关操作所引起的过电压是不可能完全避免的。为此，通常采用多台机组，多个发电站，包括水力及火力电厂，用输电线联结成网，负荷上能互相支援，故障中有多路供电，形成了由众多发电站、输电线、变电所、配电网及广大用户组成的电力系统，使电能的供应上更为经济高效，安全可靠。
! X/ @, W% }: g' P$ m$ G5 R% b8 ?电力系统中为了减小事故造成的损失，保护人身及设备的安全，必须有保护的设施。最早的保护设备只是简单的熔断器、避雷器、断路器等。随着机组的加大和电压等级的提高，陆续研制出各种继电器及量测设备组成保护电路，“继电保护”已经发展成为电厂中的一种专门技术了。除了事故处理之外，系统的正常运行中，仍然需要进行一些调度工作，使系统的总体效率提高。这些方面已经进行了很多研究：例如电能的潮流分布、短路电流的计算、静态及动态稳定性判定、过电压分析等，又如励磁调节技术、无功功率的补偿、水电火电的配合、抽水蓄能方法、调峰技术等等，积累了很多经验。但是，因为电力系统中牵涉的环节太多，出现的情况千变万化，直到现在人们的技术水平还不能完全适应需要，包括欧美工业很先进的国家，也一再出现电力系统失控，造成大面积停电。每次故障的损失常以多少亿元计算。对电力系统稳定性的研究正在进一步发展中。

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当今世界电气化、自动化技术发展十分迅速，中国电力事业的发展更是举世瞩目。目前已有核电站两座，1991年12月并网发电，1992年7月进入高功率试运行的秦山300MW核电站，1993年8月31日21点26分大亚湾核电站一号机组450MW并网发电成功(大亚湾共900MW)。核能发电是一种新型能源，它不仅能量大，而且资源丰富，根据已经勘探到的铀矿和钍矿资源，按蕴藏量的能量计算，相当于地壳中有机燃料能量的20倍。
到1992年底，全世界就已经有核电站424座，净发电容量350，000MW，占全世界总发电量的20％。其中美国核发电最多，有100，000MW；法国53，000MW，占全国发电量的70％。