第43章 交流电与变压器突破，高压输电技术让电力跨越千里（1/2）

大秦九年，八月。

天色刚亮，姜云就踏进了科学院的大门。昨晚他在观星台上站到深夜，脑子里转的全是下一步的技术路线。直流发电机已经做出来了，咸阳发电站年底就能投产，但一个更核心的问题始终悬在心头电怎么送到更远的地方去。

科学院物理研究所的实验大厅里，灯火通明。

徐启趴在实验台前，正对着一堆线圈和铁芯做记录。他面前摆着三组实验装置，每一组都绕了不同匝数的线圈，案上摊开的记录纸上密密麻麻写满了数据。

看到姜云进来，他猛地站起来，眼中有血丝，但精神亢奋得像是打了鸡血：

天师！您来得正好！我按照您说的，用铁芯把初级线圈和次级线圈耦合在一起，测出了不同匝数比下的电压变化规律！

姜云走到实验台前，拿起桌上的记录纸扫了一眼。数据记录得很规范：初级线圈匝数、次级线圈匝数、输入电压、输出电压、电压比、匝数比，一一对应。

规律一目了然。

当次级线圈匝数是初级线圈的两倍时，输出电压就是输入电压的两倍。当匝数比是三比一时，电压比就是三比一。匝数比和电压比，完美地呈正比关系。

姜云放下记录纸，嘴角浮起一丝笑意。

干得漂亮。

徐启搓着手，眼睛亮得发光：天师，这个现象太神奇了！两个线圈之间没有直接的导线连接，但电能就这么从初级线圈到了次级线圈，而且还能改变电压大小！

这不是跳，这叫电磁感应。姜云拿起其中一个带铁芯的实验装置，电流通过初级线圈时，会在铁芯中产生磁场。这个磁场穿过次级线圈，就在次级线圈中感应出了电流。铁芯的作用是把磁场集中起来，让能量传递的效率更高。

他在实验台前坐下，拿起一支笔，在纸上画了一个简单的示意图：

你发现了一个极其重要的规律。这个规律叫作变压原理。而这个装置——他拍了拍那个带铁芯的线圈组合，叫变压器。

变压器……徐启咀嚼着这个名字，眼睛越来越亮，因为它能改变电压？

对。把两个线圈绕在同一个铁芯上，让初级和次级之间的匝数比等于需要的电压变化倍数。要升压，次级匝数比初级多。要降压，次级匝数比初级少。

姜云顿了顿，看着徐启那副恨不得立刻再做一百次实验的表情，决定把更大的图景告诉他：

你知道这个发现意味着什么吗？

徐启摇了摇头。

意味着，我们可以把电送到千里之外。

姜云站起身，走到大厅一侧挂着的大秦堪舆图前，手指从咸阳一路划到东海岸：

直流发电机发出来的电，电压低，电流大。低电压的电流在电线里传输，没走多远能量就消耗在电线本身的热量上了。送到一百里外，电都快没了。

但如果用你手上这个变压器先在发电站把电压升上去，比如升到一千伏、两千伏，然后用高压电传输。高压电在线路上的损耗比低压电小得多，可以送到几百里甚至上千里之外。到了目的地，再用变压器把电压降下来，降到能安全使用的水平。

徐启听得目瞪口呆。

他是搞物理研究的，姜云说的这些，每一个字他都能理解，但把这些技术组合在一起，能产生如此惊人的效果，还是远远超出了他的想象。

也就是说……他艰难地咽了口唾沫，咸阳的发电站发的电，可以送到关中省以外的地方去？

不止关中省。姜云的手指在地图上画了一个大圈，将来，咸阳的电力可以送到中原省、河东省、三川省、南阳省，甚至更远的地方。一座大型发电站，可以为一个省的多个郡县供电。这样很多县城就不需要自己建发电站了，直接用省城送来的电就行，成本更低，效率更高。

徐启沉默了足足有十秒钟。

然后他深吸一口气，用一种近乎虔诚的语气问道：

天师，那我们现在该做什么？

两件事。姜云竖起两根手指，第一，把变压器从实验装置变成可量产的产品。第二，造一台能直接输出交流电的发电机。

交流发电机？

对。直流发电机需要换向器，把线圈产生的交流电变成直流电。但如果我们直接用交流电，换向器就可以去掉。结构更简单，维护更方便，成本也更低。

徐启的眼睛又亮了起来。

从这天开始，物理研究所的实验大厅变成了科学院最热闹的地方。

徐启带着三个助手，全力攻关变压器的工程化。第一个要解决的问题是铁芯的效率。他试了实心铁块、铁条捆扎、铁粉压铸等七八种方案，最终发现用薄铁片叠压而成的铁芯，涡流损耗最小，效率最高。

第二个问题是绝缘。高压电的绝缘要求比低压电高得多。徐启用油浸布条缠绕线圈，再涂上一层天然树脂，然后放在桐油中浸泡，反复试验了十几次，终于找到了一种能在两千伏电压下安全工作的绝缘方案。

将近两个月的反复试验后，第一台工程化的变压器终于问世了。

这台变压器的体积不大，大约一个水桶大小，铁芯由数百片薄铁片叠压而成，初级线圈和次级线圈分别绕在铁芯的两侧，用油浸绝缘处理，整体封装在一个木制的保护箱中。

测试结果显示：输入一百伏交流电，输出可以达到两千伏，升压倍率二十倍。反向连接，两千伏输入，可以稳定输出一百伏。效率达到百分之八十五。

姜云看过测试报告后，只说了一句话：

可以量产了。

变压器工程化的同时，交流发电机的研制也在同步推进。

章邯这段时间几乎住在了科学院。他带着工部最好的工匠，和徐启一起攻关交流发电机。

交流发电机的原理和直流发电机基本一致，区别在于输出端不用换向器，而是用两个简单的滑环来引出电流。

天师说得对，换向器确实是整个发电机里最麻烦的部分。章邯蹲在一台拆开的直流发电机前，指着那个由多片铜片组成的换向器，这个结构在低转速下还能凑合用，但转速一高，换向器的电刷磨损非常快，铜片之间的绝缘也容易出问题。维护起来太费劲了。

徐启在一旁补充道：而且换向器产生的火花也是个隐患。如果用在煤矿或者有易燃气体的地方，一个火星就能把整座矿炸上天。

那怎么办？一个年轻的工匠问道。

简单，不要它。章邯站起来，拿起一个已经加工好的滑环，用两个铜环代替换向器。线圈产生的交流电直接通过滑环和电刷输出，不需要任何整流步骤。

就这么简单？

就这么简单。

去掉换向器之后，交流发电机的结构比直流发电机简单得多，制造难度也低了一个数量级。章邯带着工匠们只花了半个月就造出了第一台交流发电机样机。

大秦九年十月中旬，第一台交流发电机成功地运转了起来。

实验那天，姜云再次来到科学院。

蒸汽机轰鸣着带动发电机转子旋转，两个滑环上电刷引出的导线连接到一个灯泡上，灯泡发出稳定的亮光。

和直流发电机相比，这台交流发电机的运转更加平稳，噪音也更小。因为没有换向器，电刷和滑环之间的摩擦比电刷和换向器小得多，机器运转时少了那种咔嗒咔嗒的断续声，取而代之的是一种连贯的嗡鸣。

感觉怎么样？章邯站在发电机旁，语气中带着一丝炫耀。

姜云伸手感受了一下机身的震动，点了点头：

比直流发电机安静多了。交流电的输出稳定性怎么样？

徐启立刻递上一份测试报告：在恒定转速下，交流电压的波动幅度在百分之五以内。如果加上一个简单的稳压装置，可以把波动控制在百分之一以下。

很好。姜云看着那台运转平稳的交流发电机，现在，我们可以做真正的输电实验了。

大秦九年十一月初，咸阳城东。

一条五里长的实验输电线路，在科学院和城东一座驿站之间架设了起来。

电线杆用的是和电报线相同的木杆，但为了承受高压，杆子之间的间距更密，绝缘子的要求也更高。工部的工匠们在每个电线杆上加装了陶瓷绝缘子，确保高压电不会通过杆子漏到地面。

线路的一端，在科学院实验大厅。这里安装了一台小型交流发电机和一台升压变压器。发电机输出一百伏交流电，经过升压变压器升到两千伏。

线路的另一端，在城东五里外的一座驿站。这里安装了一台降压变压器和一盏白炽灯实验灯泡。降压变压器把两千伏高压降回到一百伏，再连接到灯泡。

实验的准备工作花了整整五天。

大秦九年十一月初七，午时三刻。

实验正式开始。

姜云、章邯、徐启，以及始皇帝派来观摩的几名朝臣，齐聚在科学院实验大厅。城东驿站那边，安排了电报站的值班员随时待命，用一部临时加装扬声器的电报终端（接在电报线上，用摩尔斯码沟通）保持联络。

天师，可以开始了吗？章邯站在那台小型交流发电机旁，手已经放在了蒸汽机的启动杆上。

姜云看了一眼通过电报线传来的驿站准备就绪的回信，点了点头：

开始。

章邯推下了启动杆。

蒸汽机的锅炉早已预热完毕，蒸汽压力充足。随着启动杆的推动，蒸汽涌入汽缸，活塞开始运动，飞轮缓缓转动，通过皮带带动交流发电机的转子。

速度越来越快。

五十转。一百转。两百转。

到每分钟三百转时，发电机的输出端电压表显示电压已经达到了一百伏。

升压！姜云下令。

徐启操作升压变压器，将输出电压从一百伏提升到了两千伏。一股轻微的电磁嗡鸣声从变压器中传出，那是电能通过铁芯转换时产生的震动。

两千伏的高压电沿着五里长的电线，朝城东方向奔涌而去。

驿站，报告情况！章邯对着电报机喊道。

电报键快速敲击。

几秒钟后，回信来了——

降压变压器已收到电压，输出电压一百伏，稳定。连接灯泡，亮了！亮度与发电端一致！

实验大厅里安静了大约两秒。

然后爆发出了一阵震耳欲聋的欢呼。

徐启第一个跳了起来，差点撞到天花板上。章邯用力握紧了拳头，嘴角咧到了耳根。那几个来观摩的朝臣虽然不太明白技术细节，但五里外的灯亮了而且跟这边一样亮这个结果，足以让他们意识到这项技术的分量。

姜云笑着拿起电报机，亲自敲了一行字回给驿站：

记下这个时间。大秦九年十一月初七，午时四刻。世界上第一条高压输电线路成功运行。你那边看到的光，是人类历史上第一次由远方送来的电力点亮的。

驿站那边沉默了一会儿。

然后回了一个字：

……哦。

姜云忍不住笑出了声。这个值班员的反应实在太接地气了他大概完全没意识到自己刚参与了一个多么历史性的时刻。

实验大获成功。

但姜云没有沉浸在庆祝中太久。当天下午，他就在科学院召集了一次技术复盘会。

五里实验成功了，但五里和五百里不是一回事。姜云在纸上画了一条长长的线，两千伏电压送五里没问题，但要送一百里、两百里，电压还要更高。损耗、绝缘、线路压降，都需要更大的工程规模来验证。

章邯点头：天师说得对。五里实验只是证明了这条路走得通。真要建成覆盖全国的输电网络，我们还需要解决很多工程问题。

徐启补充道：变压器方面，如果电压继续升高到五千伏甚至一万伏，绝缘方案需要升级。现有的油浸绝缘可能不够，需要研发更耐高压的绝缘材料。

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