问题

为什么主流交流电压为110/220V,而不是100/200V?

回答
这个问题很有意思,它涉及到历史、技术和市场等多方面因素的交织。简单地说,110/220V这个电压标准并不是一个凭空臆想出来的数字,而是经过了一段漫长的演变过程,最终在实践中被广泛接受和确立下来的。

要理解为什么是110/220V而不是100/200V,我们需要回顾一下电力的早期发展。最早,电力系统主要是由直流(DC)供电的,电压普遍较低,比如爱迪生推广的系统,电压就在100V左右。那个时代,电灯是主要的用电器,低电压下的直流电足够驱动它们。

然而,直流电传输损耗大,尤其是长距离传输时,电压下降很快。随着工业的发展,人们需要把电力输送到更远的地方,驱动更大的电机,这就对电压提出了更高的要求。这时候,交流电(AC)的优势就显现出来了。通过变压器,交流电可以方便地升高或降低电压,从而大大减小了传输损耗。

在交流电的早期探索阶段,很多国家和公司都在尝试不同的电压标准。美国在这方面可以说是一个先行者。以交流电之父尼古拉·特斯拉和他的合作伙伴乔治·威斯汀豪斯为代表,他们大力推广交流电系统。最初,他们在进行实验和推广时,也尝试了各种电压。

为什么会倾向于110V左右这个电压呢?这主要有几个原因:

首先是安全性。在早期电力技术不成熟、绝缘技术相对落后的情况下,较低的电压意味着触电的危险性相对较低。110V相比于更高的电压,对人体的直接伤害会小一些。虽然即便是110V也有危险,但在当时的技术条件下,这被认为是相对安全且可行的选择。

其次是技术可行性。早期的发电机、变压器和电器的设计能力和材料限制,使得制造能够稳定可靠工作在高电压下的设备存在挑战。110V左右的电压,在当时的技术水平下,更容易制造出效率和寿命都还可以接受的设备。

再者,成本效益。虽然高电压可以降低传输损耗,但制造高压设备和绝缘材料的成本也更高。110V作为一个折衷的电压,能够在一定程度上平衡传输效率和设备制造成本。

然后,设备标准化的推动。一旦某个国家或地区开始大规模推广某个电压标准,相关的电器制造商就会围绕这个标准进行产品设计和生产。美国当时涌现了大量的电器制造商,他们选择了110V作为家用和工业领域的基础电压,这导致了市场上大量的110V电器。这种规模化的生产和使用,极大地降低了生产成本,也培养了消费者的使用习惯。

那么,为什么会是110V而不是100V呢?这其实是一个微小的差异,但历史的车轮一旦开始转动,就很难再轻易改变。100V作为直流时代的遗留电压,在交流电早期发展中也被考虑过。但可能是在实际的测试和推广过程中,110V在某些性能参数上表现更佳,或者在商业竞争中,威斯汀豪斯这样的公司推广了110V,并且取得了成功。

随着电网的发展,人们发现110V的传输损耗还是偏高,尤其是在需要长距离供电的区域。为了提高效率,人们开始尝试将电压升高。而将110V升高到220V,只需要对变压器进行简单的调整,就可以实现。这种“先低后高”的策略,在过渡时期尤为重要,它可以在保证安全和兼容现有设备的同时,逐步提升电网的性能。

所以,220V就成了110V的“升级版”。在很多地方,电网实际上是提供110V(或115V/120V)和220V(或230V/240V)两种电压的。220V电压提供了更好的传输效率,同时,它也允许连接更高功率的电器,比如空调、电热水器等。而110V电压则保留了其安全性和对老式、低功率电器的兼容性。

而像日本这样的国家,之所以使用100V,则更多是受到了早期美国电力工程师的影响。当时,很多美国工程师前往日本指导电力系统的建设,他们带来了当时的电压标准,也就是100V。随着日本工业的发展,为了提高效率,他们也引入了200V的电压,并最终形成了100/200V的体系。

总而言之,110/220V这个标准的形成,是一个复杂而渐进的过程。它不仅仅是一个技术数字,更是一段历史的烙印,是早期电力工程师在安全性、技术可行性、成本效益以及市场推广等多方面权衡的结果。一旦一个标准被广泛采用并形成生态,要改变它就会变得极其困难,因为它涉及到庞大的基础设施和数以亿计的电器设备。

网友意见

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我们分三个方面来讨论这个问题。

  1. 用电侧

美国,日本都是多个基础电压的。

做过电源的工程师都知道,只做国内产品是多么幸福啊。230Vac电压,顶天做到185~265Vac就好了,不高不低,啥都好做。

最讨厌美国的,高到277,低到110,算上安全电压,需要的是85~305Vac的电压范围。PFC做400V已经不够了,需要做到430+,那普通的450V电解就余量不够了,需要500V,这不是大通货,价高、周期长。母线电压高了,同样的拓扑,效率就低了,发热大了,散热片就大了。一切成本都高了。

2. 输电

60Hz的电网比50Hz电网效率高?可能我们学的不是同一个物理。我学的物理告诉我:任何传输介质都是有电抗的,频率越高,感抗越高,无功损耗越大。另外,线损和电压的平方成反比,110V输电的线损是220输电线损的4倍。所以,长距离输电用的是特高压直流输电。

3. 发电侧

---------20180613更新------

评论区有说到多极发电机的,查了下资料。发电机的转速和磁极对数p、电网频率f有关,具体就是转速n=f*60/p,在电网频率一定的情况下,磁极对数p越大,转速越低。但是,磁极对数大了,则体积大、成本高、效率低、控制复杂。所以,只要转速能够达到要求,都采用小磁极对数,火电厂汽轮机转速高,一般都采用隐极式的一对极,所以火电厂发电机转速是3000rpm。而水电站转速低,比如三峡电站左岸水轮机组的转速只有75rpm,但他的磁极对数有40对之多。

在目前中国以火力发电为主的情况下,我的原答案虽考虑不周,但并不是太影响结论。

------以下原答案------

这个方面我不太懂,随便说说,懂的人补充。

50Hz的电网,发电机转速是50*60=3000rpm,这个速度不高不低,和60Hz的3600转没多大差别,但要是再高上去,比如达到10000转,我猜想效率可能会降低,毕竟,很多时候摩擦力和速度的平方成正比的。

飞机上的电网频率是400Hz,这一方面是因为飞机发动机转速太快,另外,频率高点可以显著降低器件尺寸,这对于飞机这个对重量极度敏感的存在还是很有必要的。


说了这么多,其实最重要的是,一个国家使用什么电网标准,这除了技术原因之外,更多的是历史遗留啊。美国电网可以说是被历史遗留给害惨了的典型。他们国家是第一个建成电网的,那时候用的就是特斯拉的110V/60Hz,后来发现工业上也这么用,实在太亏了,就加了个了277v的工业电网。

我们国家的电网是建国后建立的,历史遗留问题就比较少了,可以统一考虑,用220v/50hz的。

有机会,大家用示波器看看我们国家的电网波形,那叫一个完美的正弦波啊。而且永远是230Vac,不多不少。再看看隔壁三哥的电网,号称是220V的,低能到60V,高能到300V。别问我怎么知道的,三哥的电源订单我们接的都是胆战心惊啊!!!

-----------------20180710更新-------------------

评论区好多不知道三相电和单相电区别的,我简单说一下。

以我国为例。

发电厂发出来的都是三相电,A、B、C是相位差120度的三个正弦波电压。O是零点,而220V就是ABC中任意一相到零点之间的电压。所以,我们经常说火线/零线。火线就是任意一个相线,零线就是零点。

而380V是指的两个相线之间的电压,简单三角函数计算就可以知道了,是381V(简称380V)。

一般民用都是单相电,用三根线:一根火线,一根零线,一根地线(小电器一般没有)。

工业用三相电,用5根线:三根火线,一根零线,一根地线。

民用电在进户之前,也是三相电,大家分着用三相,甲用A相,乙用B相,丁用C相。

理论上来说,如果ABC三相完全平衡的话,那零点就没有电压。所以尽量要做到三相平衡,但基本达不到,零线上只是号称零电压,还其实是有电压的,千万不要摸啊,会死人的。

为啥工业用三相电? 三相电带电机运行更平顺,力量也大。

民用为啥不用三相电? 电压高,太危险。

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