世界电压插座标准乱象的前世今生

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直到今天,世界各国的民用电力标准五花八门,无论是电压、频率、插头的尺寸、形状,各国都实行独特的国家标准,而从未有过统一的世界标准。本文讨论这种现象的由来。

直到今天,世界各国的民用电力标准五花八门,无论是电压、频率、插头的尺寸、形状,各国都实行独特的国家标准,而从未有过统一的世界标准。这样的后果是,即使来自两个国家的电器插头外观看起来很相似,也可能会因为不到1毫米的细微差别而不能使用。

如果你运气好,国外买回的电器能够直接插在自己家里的插座上使用。如果不行,你只有两种办法:剪掉原来的插头,换上自己国家的插头,或者使用摇摇晃晃的转换头。

买个转换头并不难,但是也许只解决了一半问题。比如你把美国120V的电器插到国内的220V的插座上,你将会看到美丽的烟花表演。如果你把中国买的电水壶带到日本,原先15分钟烧好的一壶开水你要等1个小时才能喝上。

造成这种乱象的原因是19世纪末20世纪初电力大发展时,世界上没有一个强制力量来制订统一的标准,人们今天尝到了当初种下的苦果:给生产厂家和消费者都带来了无谓的浪费和不便。

电压、频率

下面这幅图用颜色标出了世界上电压、频率的不同组合。蓝色调为主的区域的220V/50Hz的国家,而红色调表示使用120V/60Hz,此外还有各种混合的特例。

为了和燃气路灯竞争,爱迪生发明白炽灯后就推出100伏直流供电系统,100伏的数值是爱迪生妥协的结果:提高电压能够减少供电电流,给更多的灯泡供电,但是过高的电压又让灯泡寿命过短。为了给传输压降留足余量,发电机端输出110伏,这样到灯泡处就正好100伏。这就是110伏直流供电系统的来历。

电力频率的概念始于交流电,19世纪天才科学家尼古拉·特斯拉发明三相交流电力系统时,通过精密的计算和测量发现,电流方向一秒钟变换60次最适合发电机的运转,所以交流电的频率被指定为60赫兹(1赫兹是每秒钟变换1个来回)。关于电压,特斯拉选择了240伏特,这时特斯拉与爱迪生正在处于交流和直流电的争论。爱迪生可能出于安全因素考虑,坚持110伏直流电,但是交流电的优势在于能够远距离传输,这是直流电做不到的。

德国AEG公司建立了欧洲的第一个发电厂,在选择交流电频率时,AEG的工程师选择了50赫兹,因为这个数字符合公制数列(1,2,5)。当时,AEG公司实际垄断了欧洲大陆的发电产业,50赫兹的标准便成为了欧洲标准。英国虽然按另一条道路发展出了自己的电力频率,但是二次世界大战后也回归到50赫兹。

早期欧洲电力系统使用120伏电压,和今天的美国和日本相同。但是考虑到保持相同功率的前提下,升高供电电压可以减少供电电流,这意味着减少了在输电线上的功率损耗。换句话说,用相同粗细的铜线,升高电压可以传送更多电力,欧洲人选择了更高的220伏电压。与此同时,美国也考虑更换为高电压,但是这时美国家庭已经大量普及了电冰箱、洗衣机等大功率的家用电器,更改电压牵涉整个社会,成本过高,于是美国人放弃了。所以,今天60赫兹系统大都是120伏,而50赫兹通常是220伏标准。

时至今日,美国仍使用着二十世纪五六十年代的120V电力标准,在一些旧式建筑内,靠近变压器的灯泡总是坏的很快,这是因为大的电流使得输电线上压降较大,为了让大部分电器得到120V,变压器必须输出较高的电压。另一种情况就是远离变压器的电器得不到足够的工作电压。电压离散范围可达105到127伏。要知道功耗和电压的平方成正比,这样功率相差接近50%。美国所有新造建筑都引入了240V供电电压,然后在火线和零线间分出两路120V给电器使用。烘干机和电炉等大功率电器都直接连到240V电压上。

插头、插座

下面这幅图用颜色标出了世界上插头、插座的不同组合。基本无规律可循,而且很多国家使用混合类型的插座,但是仍然不能解决兼容性问题。

早期电力进入家庭,一开始仅为照明提供动力,所以电力接口只有灯泡的接口。这一时期,电力公司采用一种分类计费方式,灯泡照明的费用比其他用途的电力更便宜,这就导致了一些小功率电器直接采用灯泡接口,比如吸尘器、吹风机等。当电力成为可靠的替代取暖和节省人力的途径后,就需要比灯泡的更安全的接口。

1904年美国人Harvey Hubbell发明了两脚插头(他还发明了拉绳开关),后来因为安全原因,增加了第三脚用于泄放漏电电流。由于技术、安全和经济等多种因素,各国开始发明自己的一套插头和插座,各种五花八门的插座开始在世界各地出现。在人们醒悟过后,也只能在既成事实的基础上,制定区域性的标准。因为更换成本过大,这种现象延续至今。

来源:
  1. http://www.worldstandards.eu/electricity.htm
  2. http://en.wikipedia.org/wiki/Mains_electricity#History_of_voltage_and_frequency

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