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電的基本名稱和定義

文|Raymond Wong


眾所周知,電是一個可以傳輸能量和資訊的物理量,其傳輸過程是靠電子的移動來完成的,所以我們首先要有大量的電子,這沒問題,所有的金屬都有大量的自由電子,以銀為最,銅次之。其次是要有一個力量去推電子移動,這個力量叫做電壓,由伏特先生發現的,所以其單位就叫伏特(V)。由於要用力去推動一件物品是施加能源的過程,所以電是一種能源,既然是一種能源,我們就需要衡量或計算其大小數量,方法也很簡單,將力量乘以數量就行了,例如力乘以距離就是做功,英文叫work done,單位是牛頓米或公斤米,屬於機械能。而電能要怎麼計算呢?方法類似,力量相等於電壓,但數量則無法用距離來計算,因為電流是由電子一個推一個形成的,就像推骨牌一樣,電流的傳播速度可以達到宇宙中最快的速度,也就是光速,即每秒三十萬公里。如果我們由香港接一條電線至美國三藩市,距離大約為11200公里,當我們在香港按下電線上的開關,電子就會一個推一個,經過0.03秒後在三藩市的燈泡裏面的電子就會被推動,燈泡就會發亮,而有趣的是,在按下開關那一剎那,如果我們用2毫米直徑的電線和1安培電流的話,由香港出發的一顆電子則會用每秒23微米的速度出發向三藩市狂奔,即這顆電子每前進一米需要12小時,每一公里需要500天,那麼要等到這顆電子到達三藩市的話,任何人都需要等起碼三生三世的時間,嘿嘿,驚不驚喜?意不意外?


電子漂移速度圖解(維基)


這可是著名的電子漂移速度和電磁波速度之比。很明顯,我們計算電能用距離和速度來當作數量用都是不可行的,那怎麼辦?哈哈,數人頭不就得了?我們可以數電子的數量啊,電子的數量叫電流,由安培先生發現,因此電流的單位叫安培,故此,我們先用電壓乘電流計算出電功率,單位是瓦特W,由於功率其實是能量產生的速度,所以將功率除以時間就是能量,單位是焦耳,但焦耳太小,因此人們又發明了一個大的電能計量單位,叫電的度數,一度電相等於一千瓦特用了一小時,如果用焦耳來計算的話會變成三百六十萬焦耳,太不方便了。


和能源有關的基本計算除了力和數量外還有阻力,在電的世界裏這叫做電阻。根據一般常識要克服阻力必須要加大力量,對電來說就是加大電壓,遠距離輸電更是如此,要不然光是電阻就能把電力能源消耗殆盡。輸電電壓有多高呢? 在香港最高是中華電力公司架空電纜的40萬伏,而香港電燈公司因不可在香港島使用架空電纜,必須挖隧道,導致電纜間相互距離很小,因絕緣技術所限只能用到27.5萬伏。這些電壓在世界範圍內只屬超高壓(EHV)裏面的中等,超高壓上限是交流電1000kV,直流電是正負800kV,超過的叫做特高壓(UHV)。目前世界上能玩交流和直流特高壓,兼將之商業化的國家只有一個: 中國。事實上世界特高壓的行業標準和規範全部都是中國搞出來的,連世界特高壓標準委員會的秘書處都是在中國。


電力系統簡圖,最右方的Secondary Customer是最終用户,香港是220V,上面的Primary Customer就是大廈高壓掣房,香港用的是一萬一千伏特(11kV)。(維基)


中低壓配電

電力輸送到城市後要降低電壓然後分配給用戶,香港的電壓在進入大廈之前是一萬一千伏特,而中國內地是一萬伏特。但兩地的用戶電壓都是220伏特,因此香港大廈的總配電房(掣房)有兩個,一個是電力公司的高壓配電房,裏面有降壓變壓器,將一萬一千伏高壓降至220伏的低壓,另外一個是大廈用戶的總配電房(總掣房)。電力公司的電房只准電力公司人員進入,而大廈電房則可以讓一般獲准人仕進入。


電力系統由發電、輸電到配電都是三相的,只是在每一層樓的配電箱接至每一個單位的線路時才是單相,單相只有兩條線,最新標準是棕色和藍色,理論上不分正負,因為是交流電,每條線每秒鐘正負變化50次,叫做50Hz,但現實中棕色線是火線(相線),是帶電的,藍色線俗稱青線(中性線),是不帶電的,那是怎麼一回事?事情是這樣的,為了安全,電力系統一定要有電壓參考點,具體做法是將電力線路某部份接至參考點,那麼選哪個參考點最好呢?地球!舉個例子,一輛私家轎車的電壓是12V,如果萬一被雷劈的話車身電壓可能上升至三萬伏,但這只是車身對地面的電壓,車裏面的電壓仍然是12V,如果外面有人摸向車身的話那肯定會被三萬伏電壓擊中。


同樣道理,單相裏棕藍兩線之間是220V,但它們對地球表面的電壓不知多少,萬一被雷劈了的話有可能棕色線是30220V藍色線是30000V,兩者之間仍然是220V,但對地球表面可是三萬伏特以上啊,要命不? 要解決也不難,我們只需把其中一條線插入地球就行了,那條線按規定是藍色線,所以整棟樓的藍色線是互相接通而且是接地球的,電壓因此是零,而棕色線對藍色線固然是220V,對地球上所有的東西都是220V,絕對不會超過220V,由此可見一些人聰明過頭,將電源插座的棕藍兩線倒轉,認為這才會好聲是相當冒險的。


其實除了棕藍兩條線外,還有另外一條黃綠兩色的接地線,這條線簡單來說就是把所有室內能讓身體接觸到的金屬材料全部接通,然後接至地球,作用是萬一有帶電的導體,例如棕色線意外地碰到金屬表面,如果碰巧又有人摸到金屬表面的話,那肯定會出事,但接通了地球的話,一旦帶電的導體觸及金屬表面就等於觸碰地球,因地球的電壓為零,黃綠線的電阻又低,電流就會立即蜂擁而出,瞬間增至極大,導致保險絲燒斷或斷路器跳閘,從而切斷電流,所以接地極為重要,一是令金屬表面電壓為零,二是切斷故障電流。



家居終端電路

對發燒友來說最關心的自然是插座電路,香港採用的是英國佈線條例為主,輔以其他標準而設立的綜合佈線規例,插座線路多數採用的是13A環形線路,其次是輻射線路和5A及15A的相應線路,環形線路的要求是在100平方米範圍內,用一個30A或32A的斷路器(MCB/跳掣)外接兩條2.5mm平方的電線組成一個環形,在這環上面就可以連接無限多的13A插座,說是無限多但實際上也就接十個八個插座而已。一個單位典型的安排是三至四個環形線路。另外,根據IEC即國際電工委員會的規定,接地線安排雖然能有效切斷故障電流,但其動作速度不一定足夠快,因此要加多一重保護,做法是在所有插座環形電路之前裝一個玩意,作用是探測棕色線和藍色線上的電流大小是否一致,如果兩者之間的電流相差超過0.03A,那就意味著有0.03A的電流不知在何處丟失或漏掉了,如果是經電線或其他地方漏掉還好,萬一是經人體漏掉呢?那不就是有人在觸電嗎? 必須立即切斷電流,這玩意就是著名的漏電保護器,英文簡稱RCD,中文學名叫剩餘電流器件。其靈敏度為什麼是0.03A呢?因為觸電死亡的平均閾值是0.03A及持續0.3秒以上。這也是RCD在收貨測試時必須達到的標準。


以上的電路安排完全滿足了用電安全要求,但對發燒友來說,一來環形線路中多個插座上的電器設備間會有諧波干擾,二是RCD將多個環形線路集中供電,環形線路之間也會有諧波干擾,這對音響設備來說會靚聲才怪。對有興趣的朋友這裏介紹一個改良方法,我以C牌電器佬和工程師協會會員身份對天發誓這是合法的,具體做法是在配電箱上找一個不經RCD的後備空位,通常是在燈光及空調冷氣斷路器旁邊,然後裝上一個俗稱老鼠尾的漏電保護斷路器(RCBO),然後接上一條4mm平方的三芯電線至音響設備附近,再接上插座。這種線路叫輻射型線路,既滿足安全要求也儘量排除了諧波干擾,當然要找持牌電工來安裝。相比換機換線其費用不算高,但收效還是很明顯的。


後續我會介紹一些有關音響設計,訊號,線路設計,LP,CD的技術以及聲學理論,希望大家有興趣繼續閱讀。


作者Raymond Wong 的資歷:

•英國工程學會會員,電機工程專業

•香港工程師學會正會員,自動化控制及儀器儀錶專業

•香港機電工程署高壓及低壓電力系統無限容量註冊電業人員(REW)

•香港理工大學工業中心講師


※ 本文輯錄自【音響技術】2024年2月號第509期 ※

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