1.5 两相电和三相电

其实早在1886年，美国西屋公司就生产了单相交流发电机，使用单相交流电为城市照明供电，1888年特斯拉取得两相交流电动机和发电机的专利后，美国西屋公司就购买了特斯拉的专利，开始研究推广两相交流电（两相之间相位相差90°）。在1888年晚些时候，出生于俄罗斯并于德国AEG公司工作的电气工程师米哈伊尔·多利弗·多布罗沃利斯基（Mikhail Dolivo-Dobrovolsky，毕业于德国达姆施塔特工业大学，该校于1882年创建世界第一个电气工程系），发现特斯拉的两相交流电并没有特别的优势，认为在转子上产生的波动太大，经计算认为三相交流电可以减小磁场波动，于是他开始建造三相电的发电机和电动机，系统中具有3套线圈绕组，只使用3根线，如图1-17所示。需要特别指出的是，在1888年，特斯拉专利中不仅仅申请了两相交流发电机，也申请了三相交流发电机，如图1-18所示，但需要强调的是，特斯拉的三相电机使用6根电线。多布罗沃利斯基发现三相电不仅仅对于电动机来说具有好处，也是一种全新的电力传输方式，只使用3根线就可以（西屋公司的两相交流电需要4根线），这就是我们现在熟知的三相电力系统了。多布罗沃利斯基发现要三相输电，就得有三相变压器，于是发明了三相变压器（Electric transformer，CA39585），如图1-19所示，根据连线形状分别称为delta（Δ）变压器、星形（Y型）变压器。多布罗沃利斯基还于1889年发明了笼型异步电动机（Alternating current motor，US427978），如图1-20所示，在转子上加上肋条看起来很像一个笼子，至今笼型电机在电气工程中仍为主流交流电机。一个人能有这么多项影响后世的成就，真是天才啊。

图1-17 多布罗沃利斯基的三相电机专利

图1-18 特斯拉的三相电机专利

图1-19 多布罗沃利斯基的三相变压器专利

1890年，一个名叫奥斯卡·冯·米勒（Oscar von Miller）的人，是1891年法兰克福电气展览会的技术指导，我猜他当时心想，咱得整点新东西吧，于是他协调AEG公司，建立了从德国劳芬发电，通过三相交流输电到法兰克福电气展览会的三相输电系统。该线路始端的劳芬水电站，安装了一台230kVA、95V、三相交流发电机和一台200kVA、95/15200V变压器，输电线路长度175km，线路末端法兰克福建造两座13800/112V降压变电所，其中一座供展览会照明用电，另一座供100马力三相异步电动机，与一台离心水泵相连接，供给9m高的人工瀑布用电，输电效率为80%。这是第一个三相输电系统，如图1-21所示，在很多方面和我们现在使用的电力系统一样[4]。

图1-20 多布罗沃利斯基的笼型电机专利

图1-21 第一个三相输电系统

大家一看，三相输电很好啊，美国的通用电气公司[General Electric Company，简称GE，由爱迪生通用电气公司改名而来，由于爱迪生固执地拒绝使用和接受交流电，公司投资人、资本大佬摩根（J.P.Morgan）将爱迪生公司与其他公司合并，将爱迪生从公司开除（爱迪生说是自己自愿离开），并把公司名称中的爱迪生去掉]放弃直流电改推广三相交流电，此时在GE公司负责三相电技术的是查尔斯·普罗透斯·斯坦梅茨（Charles Proteus Steinmetz），这也是一位传奇人物。他患有先天软骨发育不全症（俗称驼背），他1892年进入GE公司工作（GE公司收购了他原来在的公司），他的主要贡献有磁滞损耗分析、交流电矢量分析法、在美国推广三相电、交流高压研究、实现首次人工闪电等，被称为“杰出的天才”（outstanding genius）、“电气时代的超人”（the superman of an electrical age）、“工程师的工程师”（engineer's engineer）。爱迪生说过“查尔斯·斯坦梅茨，奇异的小不点，个头不足五英尺，但有着一个巨大的脑壳，里面有无尽的思想。但斯坦梅茨有着比起思想更大的胸怀，斯坦梅茨开始交流电方面的工作，我们至今广泛使用交流电。人们通常认为我更倾向于传输不到2mile[3]的直流电传输方式，对此我并不认为有什么问题，但的确是我这一生所犯的最大的错误”。1921年，爱因斯坦到访GE公司，留下了下面这个珍贵的照片（见图1-22），除了爱因斯坦和斯坦梅茨外，还有欧文·兰缪尔（Irving Langmuir，因表面化学上的工作被授予1932年诺贝尔化学奖）、艾伯特·赫尔（Albert Hull，发明了闸流管）、恩斯特·伯格（Ernst Berg，斯坦梅茨的老朋友，他们合作完成了经典著作《交流现象理论和计算》（Theory and Calculation of Alternating Current Phenomena）、大卫·沙诺夫（David Sarnoff、美国商业无线电和电视的先驱和企业家、被誉为美国广播通信业之父）。

在1893年中期，GE公司成为美国第一家可以建设三相电传输系统的公司。此时西屋电气还在推广两相电系统，如1895年纽约尼亚加拉瀑布水电站采用了西屋电气的两相电系统（25Hz）。此时，西屋电气公司也发现问题了，就是他们的两相-四线系统比GE公司的三相-三线系统明显多一条输电线，成本高，但西屋电气公司此时还不能生产三相电机，公司员工查尔斯·斯科特（Clarles Scott，后来于1902—1903年担任过IEEE前身AIEE的主席）发明了将两相系统和三相系统相连接变压器接线方式（现在称为斯科特变压器），于1894年3月在美国国家电灯协会的一次会议上发表了相关论文，如图1-23所示。斯科特变压器首次应用是1896年将尼亚加拉瀑布水电站的两相发电机的输出转换为三相电，为纽约州水牛城的输电线路供电，从而节约电力传输费用。现在斯科特变压器一般用于电气化铁路牵引中（见第9章9.4节）。

图1-22 斯坦梅茨和爱因斯坦等合影

左一为沙诺夫，左三为伯格，左五为爱因斯坦，左七为斯坦梅茨，右五为赫尔，右六为兰缪尔。

图1-23 连接两相系统和三相系统的斯科特变压器

故事的结尾大家都知道了，相比两相交流电，三相交流输电的巨大优势让三相系统迅速普及。

随着社会发展的需要，电力系统输送的功率越来越大，电压等级越来越高，20世纪初美国工程师Frank W.Peek研究解决110kV输电线路电晕后，于1915年出版《高电压工程中的电介质现象》（Dielectric Phenomena in High-voltage Engineering）的专著，首次提出高电压工程（high voltage engineering），这也被认为是高电压与绝缘技术的起源。